复式套索人工肌肉下肢单关节康复装置的研究

摘要

下肢单关节康复装置是基于患者功能性辅助治疗的需求，融合临床康复学、人机工程学、机器人学、控制工程、仿生学等众多学科知识而产生的一种智能医疗装置。根据康复需求，设定相应的康复模式，代替医师进行长时间的重复康复工作。 本课题的目标是开发一款具有人体肌肉特性的穿戴式下肢单关节助力康复装置，包括髋/膝关节康复装置各一套，该装置在保证符合人体运动学的基础上，传动装置按照人体相应动作的主要作用肌肉位置进行路径的布置，并且具有与人体肌肉收缩过程中相似的弹性与承载特性。针对课题目标，本文从以下几个方面进行探索研究： 首先根据解剖学，分析人体下肢髋/膝关节的生理结构构成，将步态过程中髋/膝关节的运动自由度进行简化。利用虚拟仿真软件OpenSim对人体步态过程中的肌肉群进行定量分析，简化下肢冗余肌肉群,确立仿生对象及其特性。 其次，结合Hill肌肉模型，确定总体构型方案，设计出符合人体运动学、具有仿生特性的轻质便携复式套索人工肌肉髋/膝关节康复装置。根据制定的控制策略选定控制系统以及传感系统硬件。 然后，在髋/膝关节康复装置的运动学特性以及动力学特性分析方面，针对装置的本体结构以及套索人工肌肉传动系统进行建模，利用人体正常步态数据作为信号输入，搭建Simulink闭环反馈控制系统，验证系统的跟随响应特性。 最后，设计双输入单输出的模糊PID算法，实现外骨骼装置对人体的随动。利用Neuron动作捕捉系统获得的实验对象自由步态以及穿戴装置下的髋/膝关节运动数据进行对比，验证装置的可行性以及穿戴的舒适性；设计随动算法以及阶段性助力控制策略，并进行相应的效果评估实验。

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