套索人工肌肉驱动的下肢康复外骨骼机构设计

摘要

下肢康复外骨骼能帮助下肢运动能力丧失的患者以及有行走障碍的老弱病患者进行康复训练和助力行走，恢复其丧失的运动能力。套索人工肌肉驱动方式是利用套索传动特性并基于Hill肌肉模型理论的一种新型驱动方式，本课题的目标在采用套索人工肌肉驱动方式设计出帮助这些下肢有行走障碍的患者进行下肢康复训练和日常生活助力助行的下肢康复外骨骼。 首先，本课题对人体下肢运动机理进行研究，同时论述了Hill型肌肉模型理论以及基于该理论的套索人工肌肉模型理论，并且设计了用于人体下肢运动数据采集的轻质关节数据采集系统。 其次，基于人体下肢机理研究以及套索人工肌肉模型理论研究的基础上，提出了下肢康复外骨骼结构设计总体要求，并且具体分析了外骨骼各关节自由度的分配，然后采用套索人工肌肉驱动方式设计出外骨骼的整机结构三维造型，完成下肢康复外骨骼的机构设计，同时对套索传动路径优化理论进行了研究，对典型关节的套索传递路径进行优化，并推广至一般连杆和关节组合机构套索驱动形式其路径的优化。 然后，对下肢康复外骨骼进行建模分析，主要基于D-H坐标系建立下肢康复外骨骼的关节坐标系以及正运动学模型，并采用几何法和蒙特卡洛法分析外骨骼的工作空间，在套索传动理论和双套索传动理论的基础上对套索人工肌肉模型理论进行建模分析，研究下肢康复外骨骼驱动系统的特性。 最后，本文介绍了下肢康复外骨骼系统，包括外骨骼样机实验模型，外骨骼控制策略以及外骨骼硬件结构，对设计的下肢康复外骨骼系统进行轨迹跟踪性能试验，结果验证外骨骼系统良好的轨迹跟踪，并且针对设计的下肢康复外骨骼存在的不足，提出了改进意见和方案。

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