两种步态模式的康复机器人设计及仿真

摘要

随着我国人口的不断增加以及老龄化问题的加重，国内下肢运动功能障碍患者的数量也在逐年上升。其中有一部分患者能够通过后来的康复训练逐渐康复，康复医疗器械势必会在康复阶段发挥重大的作用，因此康复工程受到了越来越多的重视，康复机器人是近年出现的一种应用于康复训练的新型机器人，设计康复训练机器人的意图是帮助康复训练者完成各种运动以达到康复的目的。
　　本课题设计的下肢康复机器人由减重支撑系统和步态机构组成，考虑到正常生活中患者的主要行动包括行走和上楼，因此步态机构包括行走步态机构和台阶步态机构。本下肢康复机器人一方面通过多种减重模式的减重系统，使其能够满足不同康复阶段的康复训练需求，另一方面通过模拟正常人行走和上台阶的步态轨迹，实现两种步态模式的康复训练。本文在已有研究工作的基础上,进一步作了以下工作：
　　（1）下肢康复机器人的国内外研究现状
　　主要介绍了下肢康复机器人的国内外最新的研究进展。查阅与之相关的参考资料，了解下肢康复机器人在康复训练过程中发挥的作用以及有关下肢康复机器人的结构设计。
　　（2）正常行走步态和台阶步态轨迹的获取与分析
　　本文中的行走步态依靠查阅参考文献获得，然后对上台阶的步态轨迹进行获取，首先利用普通相机对被测者上台阶过程进行摄像，按帧截取录像获得照片，然后在Matlab环境下对原始照片进行灰度、滤波等处理，获得标记点的坐标，在Matlab中将得到的坐标点绘制出上台阶过程中的步态轨迹曲线。
　　（3）下肢康复机器人的整体设计
　　本课题的下肢康复机器人由减重支撑系统、行走步态机构和台阶步态机构组成。减重支撑系统，由电动推杆提供动力，减重支撑系统施加的减重拉力作用于康复训练者的两肩，避免了单点受力时沿垂直方向的旋转的可能性，同时在结构中加入了拉力传感器，能够实现30％、15%和临时保护三种减重模式，能够满足不同康复阶段的使用要求。行走步态机构和台阶步态机构的设计，根据之前得到的行走步态轨迹曲线和台阶步态轨迹曲线，在连杆图谱中获得相似的轨迹，确定步态机构的基本结构，并对步态机构中所使用的伺服电机进行选型，最终在Pro/e环境中完成踏板式减重下肢康复机器人的三维模型。
　　（4）基于Adams的行走步态机构和台阶步态机构的运动学仿真
　　为了验证设计的康复机器人的行走步态机构和台阶步态机构是否符合前面分析得到的行走步态轨迹曲线和台阶步态轨迹曲线，本文对行走步态机构和台阶步态机构进行了运动学仿真，首先建立连杆的位移矢量方程，然后经过分阶求导得到步态康复训练时脚踏板末端的速度、加速度、轨迹和脚踏板与水平面的夹角、角加速度的数学模型。然后在Pro/e环境中绘制简化的步态机构，通过Adams对步态机构进行运动学分析，通过对得到的脚踏板末端速度、加速度、轨迹和脚踏板与水平面夹角、角加速度曲线的分析，可以验证步态机构的合理性。
　　（5）基于Ansys Workbench的主要受力零部件的有限元仿真分析
　　为了保证肢康复机器人结构的安全性和稳定性，对结构中主要受力的零部件进行了静力学分析和模态分析，通过静力学分析，对应力和变形过大的零部件进行了结构优化，保证了结构的安全性，通过对减重支架的模态分析，得到了机械结构的固有振型，可以避免共振现象的出现。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1课题的研究目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3论文的主要内容

第二章 行走步态轨迹和台阶步态轨迹的获取和分析

2.1康复医学理论

2.2正常行走和台阶步态轨迹的获取和分析

2.3本章小结

第三章 两种步态模式康复机器人的整体结构设计

3.1下肢康复机器人的设计要求

3.2减重支撑系统的结构设计

3.3步态机构的结构设计

3.4本章小结

第四章 基于Adams的行走步态机构和台阶步态机构运动学分析

4.1行走步态机构的运动学分析

4.2台阶步态机构的运动学分析

4.3本章小结

第五章 基于Ansys Workbench的主要零部件有限元分析

5.1横轴的静力学分析

5.2支架接头的静力学分析

5.3减重系统整体支架的静力学分析

5.4减重系统整体支架的模态分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

硕士学位期间的研究成果

致谢

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