下肢康复医疗外骨骼训练气动控制系统的设计和实验研究

摘要

“外骨骼”是“人机一体化”的典型代表之一，它充分发挥了机器能够重复劳动的优势，很好的弥补了人的体力及精力的不足。另外，“外骨骼”尽可能地接近人的生理结构，人穿戴起来不会感到不适和别扭。利用外骨骼技术来开发帮助脑卒中患者恢复行走能力的医疗康复器械是外骨骼技术应用的一个领域。传统的医疗康复器械一般都需要理疗师额外的帮助，这不仅带来繁重的体力劳动，不利于理疗师把精力集中在评估患者康复效果和康复方案的制定上。而基于外骨骼技术的医疗康复器械则可以很好地解决以上问题。以往的外骨骼康复医疗器械多是采用伺服电机来作为它的驱动器，但伺服电机价格昂贵，对驱动电路要求高，存在易烧坏和漏电的问题。本文介绍的基于气动控制系统的下肢康复医疗外骨骼，目的就是为了采用一种与伺服电机完全不同的驱动方式来达到与之相近的康复治疗效果。
　　 本课题采用气动控制系统作为主体搭建了一套下肢外骨骼康复医疗器械用以辅助恢复脑卒中患者的行走能力。气动系统避免了伺服电机由于受到其驱动电路小型化而带来的技术难题的限制，使其在元器件选型方面相对宽松。在应用领域来看，气动系统在一些位置闭环控制精度要求不是很高的情况下相对于伺服电机具有很大的优势，在成本上也远远低于伺服电机。这套气动下肢外骨骼康复医疗器械以气泵为动力源，用气缸作驱动器，以及气动比例流量阀作控制阀构成主体，并在此基础上对合适的控制策略进行了大量的分析，提出一套切实可行而又对气动系统有较好控制效果的控制算法，并根据此算法分别设计实现了上位机和下位机的控制系统硬件。另外，开发了一套虚拟仪器操作界面方便操作使用此系统，便于理疗师及时得到脑卒中患者在治疗过程中的相关数据以及根据这些数据评估治疗效果，有利于理疗师和患者之间的交流互动。最后，基于各部分的设计，建立了一套下肢康复医疗外骨骼气动控制系统的初步原型系统，并在此基础上进行了下肢康复治疗基本功能的验证实验，验证了下肢康复医疗外骨骼气动系统的可行性和可靠性。

目录

文摘

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致谢

1.绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3课题研究难点

1.4本文研究内容

1.5本章小结

2.下肢康复医疗外骨骼的气动控制系统机械结构设计

2.1引言

2.2机械模型的建立

2.3机械结构的设计

2.4机械结构的强度分析

2.5本章小结

3.下肢康复医疗外骨骼气动控制策略和相关硬件的设计

3.1引言

3.2气动控制系统的特点

3.3下肢康复医疗外骨骼气动控制策略的研究

3.4下肢康复医疗外骨骼气动控制策略的硬件设计

3.5本章小结

4.下肢康复医疗外骨骼气动控制系统的实现和实验研究

4.1引言

4.2机械结构的实现

4.3控制策略及其硬件的实现

4.4原型系统的实验研究

4.5本章小结

5.总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

作者简历