截瘫下肢康复外骨骼的研究及其实现

摘要

下肢康复外骨骼是基于仿生原理，结合机械工程学、电子工程学、生物医学、人体仿生学、人工智能和传感检测等学科，并利用各类传感器将传感、信号获取、微型计算机等一系列技术进行学科知识交叉设计的机器人，其中针对截瘫下肢患者的下肢康复外骨骼是其重点研究方向之一。本课题的目标是研究并开发出一款帮助下肢截瘫的患者完成行走、起立/坐下、上/下楼梯等日常活动的下肢康复外骨骼系统。
　　首先，本课题结合人体下肢解剖学知识，研究人体下肢生理机理和运动机理，并对下肢外骨骼驱动方式等进行研究，确定下肢康复外骨骼自由度分配、关节运动角度、驱动方式等核心问题。
　　其次，本课题在研究现有的各类测量人体运动数据方法的基础上，设计了一套满足本课题人体下肢运动数据测量需求的专用外骨骼测试装置，进而完成了穿戴外骨骼拄拐起立/坐下、行走、上/下楼梯等日常动作的测量实验，并针对所得数据进行相应拟合处理，得到了人体在拄拐情况下的各类下肢运动数据。
　　然后，基于下肢瘫痪患者的生理特征和上述实验研究，本文提出了针对下肢康复外骨骼结构设计的总体要求，然后具体分析各关节自由度分配情况，并进行了外骨骼必要的受力分析和整机结构三维造型设计，完成样机的加工、组装和调试，然后在样机性能实验的基础上进一步优化设计，最终得到了满足目标用户需求的下肢康复外骨骼系统。
　　最后，本文对设计的下肢康复外骨骼系统进行了相关轨迹跟踪和角度阶跃响应的评估实验，验证了其良好的轨迹跟踪和快速响应特性，最终通过多组正常人穿戴下肢康复外骨骼状态下进行行走、起立/坐下实验和实验对象的主观评价，验证了本课题所设计外骨骼系统的可靠性、有效性和稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 下肢康复外骨骼国内外研究现状

1．2．1 下肢康复外骨骼国外研究现状

1．2．2 下肢康复外骨骼国内研究现状

1．3 下肢康复外骨骼关键技术

1．4 本文主要研究内容

第二章 人体下肢及外骨骼机理研究

2．1 人体下肢生理机理研究

2．1．1 人体下肢结构学基本术语

2．1．2 人体下肢生理结构

2．2 人体下肢的运动机理研究

2．2．1 髋关节运动机理

2．2．2 膝关节运动机理

2．2．3 踝关节运动机理

2．3 驱动系统的选型

2．4 人体下肢关节生物力学研究

2．5 本章小结

第三章 人体穿戴外骨骼拄拐步态测量

3．1 测试外骨骼系统原理

3．2 测试外骨骼系统组成

3．2．1 测试外骨骼机构设计

3．2．2 测试外骨骼采集控制系统

3．3 测试外骨骼各类步态测量实验

3．4 常见人体拄拐步态测量结果分析

3．5 外骨骼踝关节自由度分配实验

3．6 本章小结

第四章 截瘫下肢康复外骨骼机构设计

4．1 外骨骼设计总体方案

4．2 外骨骼自由度分配

4．3 外骨骼主动关节设计

4．3．1 外骨骼髋关节设计及改进

4．3．2 外骨骼膝关节设计及改进

4．3．3 主动关节受力分析

4．4 外骨骼踝关节设计

4．4．1 外骨骼踝关节设计理论研究

4．4．2 外骨骼跺关节结构设计

4．4．3 外骨骼踝关节校核

4．5 外骨骼辅助机构设计

4．5．1 外骨骼调节机构

4．5．2 外骨骼背包机构

4．6 本章小结

第五章 截瘫下肢康复外骨骼控制系统及实验研究

5．1 外骨骼控制策略

5．2 外骨骼硬件系统

5．3 外骨骼基础功能性实验

5．3．1 角度阶跃响应实验

5．3．2 轨迹跟踪实验

5．4 正常人穿戴外骨骼实验

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 未来工作展望

致谢

参考文献

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