可穿戴下肢康复外骨骼机器人及其步态控制

摘要

可穿戴下肢康复外骨骼机器人是一种受仿生学启发的人机一体化智能系统，旨在帮助下肢功能障碍的病患恢复运动功能。与传统康复设备不同，它不限制于在医院、康复中心等固定的室内环境下使用，而是可以让病人在户外自由训练，甚至无需医护人员在场，成为家庭使用的个人产品。本文研究的目的是开发一款适用于下肢截瘫者使用的外骨骼机器人系统，主要内容包括外骨骼结构设计、控制系统以及步态控制算法等。
　　受仿生外骨骼启发，本文设计了一款8自由度外骨骼机器人，包括4个主动自由度，2个被动自由度和2个手动限制自由度。主要结构包括关节驱动机构、背包、踝关节、控制拐杖以及绑带等人机力交互结构。其中关节驱动机构要求很高的功率-体积比，是结构设计的难点。通过查阅相关文献，总结了现有关节机构类型，并详细探讨了变异平面四杆机构方案的可行性，最终确定了基于曲柄滑块机构的关节构型。在关节局部运动学分析的基础上，给出了一种可视化调参方法:以关节活动范围及瞬时减速比为优化目标，通过试参法获得四杆机构杆长的优选搭配，使得关节结构特性符合人体下肢关节的运动规律和受力规律。最后还通过有限元仿真分析，确定了关节内薄弱环节，进而进行局部加强。
　　机器人采用电池供电便于远距离行走，采用工控主机作为控制中心，并集成角度传感器、姿态仪，压力传感器等，实现机器人的闭环控制。结合人类下意识的习惯，提出了一种简单有效的行走控制逻辑，可降低误操作的可能。上位机软件目前主要做调试用，可视化的状态显示区方便调试人员随时掌握机器人状态。此外，还巧妙地运用继电器，获得异常断电时的临时保护机制。
　　在常用的7类下肢辅助控制策略基础上，对截瘫者适用的步态控制方法进行了探讨;又在健康人步态分析的基础上，进一步探讨辅助截瘫病人站立行走的可行性，归纳出截瘫适用步态应具备的特点。介绍了步态采集方法，并针对截瘫行走的特点，提出一种步态修正方法，不仅能解决脚尖拖地的问题，还能快速生成不同坡度行走的步态。2名截瘫志愿者参与了行走试验，验证了外骨骼机器人系统的可靠性，还验证了步态修正方法的有效性。
　　最后，根据截瘫病人起坐的特殊需求，提出了人机三质量杆模型及其稳定空间的概念，并在此基础上提出速度顺应控制方法，缓解了不恰当的拐杖施力给肢体平衡带来的影响。实验证明，与传统预定轨迹控制方法相比，速度顺应控制方法下的起坐成功率明显提高。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 外骨骼技术的起源

1．1．2 外骨骼机器人的分类

1．2 外骨骼机器人系统国内外研究现状

1．2．1 能力增强型外骨骼

1．2．2 可穿戴下肢康复外骨骼

1．3 下肢外骨骼控制策略研究现状

1．4 课题来源及研究内容

第二章 下肢康复外骨骼机器人结构设计

2．1 人体下肢运动特性分析

2．1．1 人体下肢结构特性

2．1．2 人体典型步态分析

2．2 下肢外骨骼机器人整体参数设计

2．2．1 外骨骼自由度配置

2．2．2 外骨骼基本尺寸设计

2．3 关节模块的设计

2．3．1 驱动机构选型

2．3．2 关节模块的局部运动学分析

2．3．3 机构参数的设计

2．3．4 髋、膝关节的设计实现

2．4 其他结构设计

2．4．1 背包结构设计

2．4．2 踝关节与鞋部设计

2．4．3 人-机力交互结构设计

2．5 关键承力部件力学性能分析

2．6 本章小结

第三章 外骨骼机器人驱动与控制系统

3．1 电机及驱动系统

3．2 传感系统

3．3 控制架构

3．4 系统调试软件

3．5 本章小结

第四章 截瘫步态分析及控制策略研究

4．1 截瘫病人行走可行性分析

4．2 截瘫病人行走步态生成方法

4．2．1 截瘫病人平地行走步态

4．2．2 截瘫病人坡地行走步态

4．2．3 截瘫病人行走实验

4．3 截瘫病人起立与坐下过程分析

4．4 基于稳定空间及速度顺应策略的起坐控制方法

4．4．1 三杆质量模型及稳定空间

4．4．2 速度顺应控制策略

4．4．3 截瘫病人起坐实验

4．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文与申请专利

声明

致谢