人体平衡能力检测与康复训练设备设计与优化

摘要

平衡功能是人体维持正常体位及完成各项日常活动的基本保证。平衡能力的保持需要有完善的中枢神经及运动调节系统。任何层面的损伤都会造成平衡功能障碍，影响正常工作和生活，甚至失去生活自理能力。因此，为实现对人体平衡能力进行准确评估并提供相应的康复训练，需要设计开发检测与康复训练集成于一体的智能化设备。 本文首先对国内外相关研究和已有产品的技术特点与性能进行分析比较。通过对临床数据进行统计分析，确定了开发产品的评估指标。在尽量减少运动耦合的设计目标下，通过适当引入虚约束结构，确定了3自由度U型悬臂式“半环抱”的机械主体结构、利用MPU6050传感器进行人体姿态数据采集的设计方案。 根据总体设计方案，对机械结构中的关键部件进行理论分析与优化设计。（1）通过对支撑立柱的有限元分析，确定了立柱的结构型式和尺寸参数；（2）利用参数化建模方法，对U型臂进行建模与仿真分析，得到了U型臂几何构型和尺寸参数的优化设计结果。（3）针对回转悬臂式结构的特点，对起到关键支撑和连接作用的轴系结构进行优化设计，给出了轴承跨距、悬臂长度和外部载荷对轴承寿命的影响。在此基础上，完成虚拟样机设计。 基于D-H参数法建立虚拟样机运动学模型，导出了样机的运动学正、逆解，并利用MATLAB中的robotics toolbox工具进行仿真验证。利用拉格朗日法建立虚拟样机的动力学方程，对影响系统稳定性和定位精度的惯量项和重力项进行理论分析，得到了不同工况下的计算结果，为人体平衡能力检测与康复训练设备的驱动与控制系统的设计提供依据。 在完成样机设计与分析的基础上，对人体倾角姿态数据采集与处理系统进行了设计与初步实验验证。根据总体方案中的检测指标，对传感器的选型进行分析。基于LabVIEW和单片机串口通信的数据采集与处理方案，搭建倾角测量实验装置来模拟人体空间姿态，完成对相关指标的性能测试实验，验证了人体姿态数据采集方案的可行性与合理性。

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