气动肌肉驱动的下肢康复外骨骼系统研究

摘要

我国逐步进入老龄化社会，各类疾病引起的下肢行动不便与运动障碍也越来越普遍，临床医学研究与实践表明，适当的下肢康复训练对于患者下肢运动能力的恢复有重要意义，下肢康复训练系统拥有广泛的应用前景。
　　气动肌肉具有柔顺性好、功重比高、成本较为低廉、安全可靠等特点。本课题所研究的是一套基于气动肌肉为驱动元件的下肢康复外骨骼系统，进行基于下肢外骨骼和辅助康复小车的下肢康复训练。全文的主要研究内容包括以下几个方面:
　　第一，在对人体下肢几何参数与运动机理研究的基础上，本文提出了一种基于气动肌肉为驱动元件的下肢康复外骨骼设计方案;根据中国成年人下肢尺寸分布统计，确定了下肢外骨骼的几何尺寸与可调节范围;基于人行走过程中下肢各关节角度的变化范围，确定下肢关节的运动角度，完成驱动元件的选型。利用ANSYS Workbench软件对关键零部件进行强度分析，验证结构强度可靠性。
　　第二、对下肢外骨骼进行运动学与动力学分析，使用D-H方法建立下肢外骨骼的运动学方程，完成外骨骼的正运动学解算，根据下肢外骨骼的几何关系，完成逆运动学求解。根据拉格朗日方程建立下肢外骨骼的动力学方程，使用ADAMS软件完成下肢外骨骼的动力扭矩仿真与步态行走仿真。
　　第三、搭建控制系统软硬件平台，设计高速开关阀驱动电路板，角度信号采集电路板;编写上位机控制程序和人机控制界面程序，实现对康复训练实验参数的调节与数据保存。完成空载情况下的实验，验证下肢康复外骨骼控制系统的可靠性。
　　第四、基于所设计的下肢康复外骨骼系统和Holden步行能力分级，设计两种康复训练策略，进行了下肢康复训练实验。完成下肢单关节的被动康复训练和下肢组合康复训练，并基于足底压力传感器设计完成了下肢主动康复训练。

目录

声明

致谢

摘要

1、绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国外康复外骨骼相关研究进展

1．3 国内康复外骨骼研究进展

1．4 康复外骨骼驱动方式

1．5 论文的结构及主要研究内容

2、下肢康复外骨骼系统结构设计

2．1 下肢康复外骨骼系统整体方案

2．2 下肢康复外骨骼结构设计

2．2．1 髋关节与大腿部分设计

2．2．2 膝关节与小腿部分设计

2．2．3 腰部及足底部分设计

2．3 零件可靠性分析

2．4 驱动元件与复位弹簧

2．4．1 驱动元件选型

2．4．2 复位弹簧参数确定

2．5 辅助小车及可移动式能源系统

2．5．1 可移动气源系统设计

2．5．2 康复训练辅助小车

2．6 本章小结

3、下肢康复外骨骼运动学与动力学分析

3．1．1 正运动学分析

3．1．2 逆运动学分析

3．2 下肢外骨骼动力学分析

3．3 ADAMS运动学仿真

3．3．1 下肢步行运动仿真

3．3．2 下肢关节驱动扭矩仿真

3．4 本章小结

4、下肢康复外骨骼控制系统研究

4．1 控制元件质量流量．压力特性

4．2 控制系统硬件方案

4．2．1 FPGA与NI6001数据采集卡

4．2．2 高速开关阀的驱动电路设计

4．2．3 角度信号采集及滤波电路设计

4．3 控制系统软件设计

4．3．1 控制系统上位机软件设计

4．3．2 控制系统下位机软件设计

4．4 外骨骼控制系统实验验证

4．5 本章小结

5、下肢康复训练实验研究

5．1 Holden步行能力分级

5．2 被动康复训练实验

5．2．1 单髋关节的康复训练

5．2．2 单膝关节的康复训练

5．2．3 下肢组合康复训练

5．3 主动康复训练实验研究

5．4 本章小结

6、总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 今后工作展望

参考文献