可穿戴膝关节康复机器人研究

摘要

中国老龄化问题加重，在未来的二三十年里，将会有更多的老年病患者和慢病患者需要康复治疗。随着互联网技术和人工智能技术的兴起，医疗服务机器人的分支——康复机器人不断涌现，能很好的解决上述问题。其中外骨骼康复机器人是可穿戴的人机智能化装置，能跟随穿戴者的动作获取运动信息，或者通过外骨骼所带的动力装置驱动穿戴者肢体运动，从而实现肢体康复。目前国内外研究下肢康复机器人的机构较多，但仅仅针对膝关节康复的研究机构却较少，仅有的装置结构复杂，体积较大，还不是可穿戴式，且只能用于某一个固定的地方训练。针对膝关节康复机器人以上的不足，本文提出一种可穿戴外骨骼式单自由度膝关节康复机器人，并针对该机构开展了如下工作：
　　（1）概述了康复机器人的概念及分类，综述了国内外不同类型的下肢康复机器人的研究现状及国内膝关节康复机器人的研究现状，列出了目前还需进行深入研究的3个关键技术点，并针对国内膝关节康复机器人的研究存在的不足，引出了可穿戴外骨骼式康复机器人的设计思想。
　　（2）详细地从生理结构、运动形式、膝关节在人体中的作用及运动过程中的受力情况等4个方面阐述了膝关节的运动机理，为了方便进行康复训练，只考虑了矢状面上膝关节的屈/伸运动，提出了单自由度膝关节康复机器人的设计思想。
　　（3）介绍了外骨骼的由来及工作原理，为了驱动膝关节外骨骼运动，引入了柔顺驱动器的设计。柔顺驱动器的柔顺性体现在弹性元件上，本文设计了一种平面弹簧并对其中S状片簧进行了局部优化，能适应一定范围内的圆周变形和轴向变形。对其驱动方式、传动方式进行选择，最后进行膝关节康复机器人整体结构设计。
　　（4）为了研究膝关节的运动情况，用D-H矩阵法建立下肢的运动学数学模型，并通过MATLAB/Simulink仿真求得膝关节的正、逆运动学参数，即角度变化情况和位姿情况。用拉格朗日法建立人-机系统的动力学数学模型，并利用ADAMS软件进行仿真，得到12.5s内膝关节的角度曲线，角速度曲线图和力矩曲线图。仿真模型能够正常行走，所得运动轨迹和人实际行走时的轨迹一致。以上分析验证了模型的正确性，为后文的康复控制奠定基础。
　　（5）针对康复前期和中期，提出了对应的康复控制策略。首先对驱动电机进行运动轨迹规划；然后基于前面的运动学和动力学分析对膝关节控制策略进行相关研究；最后研制样机，进行空载实验，正常人穿戴实验和患者穿戴实验。通过空载实验和正常人穿戴实验，可知外骨骼能够较好地跟踪预定义轨迹，运动过程中没有发生明显地干涉，也没有强烈的不适感，验证了膝关节康复机器人的安全性和可行性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 康复机器人概念及分类

1.3 下肢康复机器人国内外研究现状

1.4 膝关节康复机器人关键技术

1.5 本文内容

1.6 小结

第2章 人体膝关节的运动机理

2.1 膝关节的生理结构

2.2 膝关节的运动形式

2.3 膝关节的受力情况

2.4 膝关节的作用

2.5 运动机理分析

2.6 小结

第3章 膝关节康复机器人设计

3.1 外骨骼概念及工作原理

3.2 关节驱动器设计

3.3 膝关节康复机器人的设计

3.4 小结

第4章 膝关节康复机器人建模与分析

4.1 膝关节的运动学数学模型

4.2 膝关节康复机器人动力学数学模型

4.3 步进电机数学模型

4.4 运动学和动力学仿真

4.5 小结

第5章 康复策略设计与实验研究

5.1 康复策略分析

5.2 康复控制系统设计

5.3 样机研制与实验平台搭建

5.4 小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录一

附录二