基于外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人结构设计与仿真

摘要

康复机器人作为康复工程的产物，能够通过机器引导肢体做各种指定的重复性康复训练，辅助患肢恢复其运动机能，近年来其得到了迅速发展。但现有研究的重点多集中于腿部机构的设计，对腰部机构的设计研究相对较少。本文针对现有康复机器人腰部机构存在的结构简单，不能模拟人体腰部运动的不足，以人机工程学为基础，对下肢康复机器人的腰部机构和腿部机构作一体化设计，满足下肢瘫痪患者康复训练完整性和舒适性的要求。
　　本研究主要内容包括：⑴基于人体解剖学研究人体下肢骨骼及其骨连结的特点，确定了下肢康复机器人腰部机构和腿部机构各关节处的自由度分配，并对人体下肢正常步态进行测量统计分析，得出了人体下肢正常步行时腰部的运动曲线方程和腿部各关节的运动曲线，为下肢康复机器人的结构设计提供理论分析的基础。⑵针对下肢瘫痪患者不同康复阶段训练内容和要求不同的特点进行了研究，根据不同康复阶段患者不同程度的训练要求，建立了下肢康复机器人的单自由度、组合动作和步行3种康复训练模式，将下肢康复机器人的康复训练功能渗透到整个康复治疗过程中。⑶在建立的下肢康复机器人3种康复训练模式基础上，提出了下肢康复机器人的腰部机构和腿部机构作拟人化一体化设计方案，由腰部机构和腿部机构两部分组成，具有一定的通用性，可以适用不同人群。根据设计的下肢康复机器人的方案，确定下肢康复机器人系统结构材料为2A12硬铝合金，采用伺服电机驱动方式，选择24V锂离子电源和光学式增量型旋转编码器、限位开关及拉线编码器等传感器。⑷建立了腰部机构和腿部机构运动模型，应用ADAMS软件建立了下肢康复机器人腰部机构和腿部机构的虚拟样机，进行了系统分析。仿真试验结果表明，所设计下肢康复机器人的腰部机构能够拟合人体下肢步行时腰部的运动特点，腿部机构能够实现单自由度康复训练、多自由度组合动作康复训练和步行康复训练。