可实现近似正常步态的下肢康复机器人结构设计与分析

摘要

本文针对患有下肢运动障碍人数日益增多，下肢康复需求越来越大，且国外产品价格昂贵，国内研究尚不成熟这一现状，在国家自然科学基金的资助下，以研制出轨迹在一定范围内可调、成本低、适合家庭使用且能实现主动和被动训练的下肢康复机器人为目标，开展了步态分析、轨迹规划、机器人结构设计及样机试制等方面的研究工作。论文主要内容及成果如下：
　　简介康复医学上对人神经系统的可塑性的研究，正常步行周期和规律及正常步态轨迹的获取。前者为设计以及制造下肢康复机器人帮助病人恢复行走能力提供了医学上的理论依据，证明了下肢康复在理论上的可行性；而后者通过对步态的研究所揭示的人在正常行走时腿部和足部动作的规律及数据为后续机构的设计提供了前提条件和支持。
　　研究不同步态轨迹对下肢的影响。以实验测得的人体正常步态轨迹为依据，设计了三种运动轨迹越来越趋近于正常步态的机构，用SolidWorks软件进行三维建模，根据正常步态受试者尺寸参数在LifeMOD软件中进行人体建模，将两者导入ADAMS软件中进行配合，建立人—机耦合系统并进行运动仿真，得到下肢主要肌肉伸缩量在不同足部轨迹下的数据变化，并用MATLAB对数据进行统计分析，得到不同足部轨迹对下肢影响的规律。根据这一规律及结构方案的合理性，确定样机的结构方案。
　　康复机构的结构设计及运动仿真。运用平面机构运动分析的复数矢量法对偏置曲柄滑块机构连杆上一点进行运动分析，得到位移、速度和加速度随时间的变化，然后对曲柄滑块机构进行了结构尺寸的设计和主要零部件的选择，使用SolidWorks软件对曲柄滑块机构进行了三维建模与运动学分析，并将仿真图像与计算分析图像进行对比，验证了仿真分析的可靠与正确，再与受试者正常步态的位移、速度和加速度图像比较，证明该机构较为合理，为样机制作提供了支持。
　　样机的工程图绘制及样机制作。首先按照国家标准绘制各零件的二维图纸，工厂通过工程图加工出零件并装配样机，完成样机制作，为下一步样机试验做准备。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 康复理论及人体步态分析

2.1 引言

2.2 下肢康复理论简介

2.3 人体步态分析

2.4 人体正常步态轨迹获取

2.5 本章小结

第三章 不同足部运动轨迹对人体下肢肌力的影响

3.1 引言

3.2人体下肢肌肉群及其作用

3.3 人体生物力学软件简介

3.4 三维建模及人—机系统建立

3.5 仿真及数据统计

3.6 数据分析及结论

3.7 本章小结

第四章 下肢康复机器人结构分析与设计

4.1 引言

4.2 机构运动分析

4.3 主要部件尺寸设计及选择

4.4 机构三维建模

4.5 运动仿真分析

4.6 本章小结

第五章 康复机样机制造

5.1 引言

5.2 制图软件简介

5.3 制图规则

5.4 工程图绘制

5.5 样机及部分结构图

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢