穿戴式下肢康复外骨骼步态与控制策略研究

摘要

穿戴式下肢康复外骨骼技术是近些年来新兴的一门技术，是人机一体化技术的一个分支。“以人为核心”的人机一体化技术是当代高新技术的代表，也是一个国家科技水平的体现。将人机一体化技术引入到康复训练中已成为热门课题之一。
　　本文研究的穿戴式下肢康复外骨骼是介于人与两足机器人之间的一种人机一体化设备。通过solidworks软件绘制其结构模型，使用ANSYS软件分析结构模型的应力和弹性形变，应用动态三维捕捉系统采集正常人的步态轨迹，使用MATLAB软件分析步态特征，制定控制策略，使其尽可能的接近人体下肢生理结构，通过驱动设备模仿正常人体步态，带动患者进行行走训练，使有行走障碍的病人得到康复。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 可穿戴式下肢康复外骨骼简介

1．2．1 可穿戴式下肢康复外骨骼研究历史

1．2．2 可穿戴式下肢康复外骨骼研究现状

1．3 穿戴式下肢外骨骼技术难点浅析

1．4 本文主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 人体下肢运动肌理和步态分析

2．1 引言

2．2 人体下肢解剖学

2．3 人体步行简介

2．4 解剖学和步态基本定义

2．4．1 人体基本轴和基本平面

2．4．2 人体步态周期

2．4．3 步态阶段

2．5 生理学步态

2．5．1 髋部运动

2．5．2 膝关节运动

2．5．3 踝关节

2．5．4 地面反作用力

2．6 本章结论

第三章 可穿戴式下肢康复外骨骼总体结构方案及静力学仿真

3．1 引言

3．2 可穿戴式下肢康复外骨骼的结构设计原则

3．3 人体结构分析

3．3．1 人体基本尺寸数据

3．3．2 下肢各关节运动自由度

3．4 驱动器的选择和安装

3．4．1 驱动器的选择

3．4．2 驱动器的定位

3．4．3 驱动器的行程

3．5 可穿戴式下肢康复外骨骼总体结构构成

3．6 可穿戴式下肢外骨骼的构型设计

3．6．1 髋关节设计

3．6．2 膝关节设计

3．6．3 踝关节设计

3．6．4 其它约束条件

3．7 下肢外骨骼静力学仿真

3．7．1下肢外骨骼的网格划分

3．7．2 施加载荷和约束

3．7．3 应力图和弹性变彩图

3．7．4 ANSYS分析结果

3．8 本章小结

第四章 可穿戴式下肢外骨骼步态数据采集及分析

4．1 引言

4．2 人体行走基本步态

4．3 数据采集系统简介

4．4 三维动态捕捉系统构成

4．5 动态捕捉系统的图像采集和数据分析

4．6 本章结论

第五章 可穿戴式下肢外骨骼控制策略研究

5．1 引言

5．2 穿戴式下肢外骨骼控制策略设计原则

5．2．1 降低人机运动干涉

5．2．2 降低系统的成本和复杂性

5．2．3 具备自我学习能力

5．2．4 简化控制策略

5．3 直流伺服系统

5．3．1 直流伺服电机模型

5．3．2 直流伺服电机控制方式

5．3．3 过渡过程中的电机方程

5．3．4 力矩方程

5．3．5 力平衡方程

5．3．6 电机参数的设定

5．4 控制层面

5．4．1 行走规划层

5．4．2 步态规划层

5．4．3 关节控制层

5．5 不完全微分PID控制原理

5．6 直流伺服系统速度

5．7 直流伺服系统位置

5．8 关节伺服控制

5．8．1 单关节速度闭环控制

5．8．2 单关节位置闭环控制

5．8．3 多关节协调控制

5．9 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文结论

6．2 研究展望

致谢

参考文献