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踝关节康复训练是一种对患者的踝关节进行运动训练,实现其运动功能康复的治疗方法。踝关节是人体下肢最复杂的关节,也是最重要的一个关节之一。因为意外造成神经损伤或者肢体损伤的病人,长时间不能自主运动,容易产生踝关节粘连和肌肉萎缩,因此有必要对踝关节进行合理、科学的康复训练。在各种康复训练运动中,等速持续被动运动(CPM,Continuous Passive Motion)和等速主动抗阻运动(ARM,ActiveResistance Motion)是目前应用最广泛,而且公认是最有效的康复训练方法。等速康复训练运动需要专用的等速康复训练装置实现,传统的等速康复训练装置以电机或气缸作为驱动器,容易实现且控制特性好,但是缺乏安全性和柔顺性。与此相比,气动肌肉是一种新型的驱动器,不仅有较好的安全性和柔顺性,还具有与生物肌肉非常相似的力/长度特性,因此本文采用气动肌肉作为驱动器,设计了踝关节康复训练装置和等速CPM、等速ARM控制器,并对装置的控制特性进行了模拟实验研究。
首先,本文根据踝关节康复训练的要求,提出了踝关节康复训练装置的总体方案,并对气动系统和机械系统进行了设计。
其次,采用嵌入式系统作为康复训练装置的控制系统,对嵌入式硬件系统和软件系统进行了设计,包括主控模块和传感器选型,测控回路、应用程序开发及其开发环境搭建,程序代码开发等。
然后,对康复训练装置的等速CPM控制特性进行了实验研究。先在康复训练装置中应用前馈-PID反馈控制算法,然后在控制算法中加入给定超前和位置补偿,并使用安装在实验装置运动平台上的质量块作为负载模拟人脚的质量,进行控制特性实验研究。
最后,针对踩关节等速ARM康复训练的要求,设计了等速ARM控制器,并进行了质量块模拟和人参与的等速ARM实验,对其控制特性进行了研究。
实验的结果表明,所设计的康复训练装置能满足踝关节等速CPM和等速ARM的要求,对类似的下肢康复机器人设计研究有参考价值。