坐姿肢体协同训练康复机构的设计与分析

摘要

因人口老龄化、脑卒中以及伤残等导致的肢体运动功能障碍患者逐年增多，而相应的医疗康复人员及设备却无法满足康复需求。为减轻护理人员的工作强度、提高患者接受康复治疗机会、量化康复训练的指标，康复机器人应运而生。本文在分析国内外肢体康复机器人研究现状的基础之上，依据康复运动理论，结合人体生理结构特征、行走时肢体运动规律，提出一种基于坐姿的单自由度、复合连杆式肢体协同训练康复机构，具体工作如下:
　　首先，分析人体尺寸及关节活动度限定坐姿状态下的运动区间，再通过实验探求行走时肢体主要关节的运动规律及轨迹，为机构方案的设计提供理论依据，最终提出一种曲柄滑块和RRR级二级杆组组合形成的单自由度、复合连杆式协同训练康复机构。
　　其次，应用D-H法建立康复训练机构参数坐标模型，对其进行运动学正分析，得出影响轨迹的主要参数，并应用ADAMS软件分析尺寸参数对轨迹的具体影响，通过单因素分析及正交试验优化出一组基本尺寸参数。
　　然后对人机模型进行深入研究，分析不同训练参数下所对应的关节运动规律，为患者进行有效的量化康复训练提供参考;提出一种实现匀速训练的PI控制方案;分析在训练期间各杆件的受力及形变，为后期结构设计提供理论依据。
　　最后，依据上述分析论证所得出的连杆尺寸参数，研制出单侧康复机构的物理样机，并进行训练轨迹、关节角度和协调运动实验。实验结果表明:该康复机构设计合理，能够实现坐姿状态下的肢体协同康复训练，并可满足个性化康复需求。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题的研究背景及意义

1．3 研究现状

1．3．1 国外下肢康复机器人研究现状

1．3．2 国外上肢康复机器人研究现状

1．3．3 国内康复机器人研究现状

1．4 现有康复训练装置所存在的问题

1．5 主要研究内容

第二章 康复机构总体方案设计

2．1 引言

2．2 人体生理结构分析

2．2．1 关节活动度

2．2．2 人体尺寸

2．3 步态分析

2．4 坐姿状态下的肢体运动空间分析

2．5 实验探究肢体运动规律

2．5．1 实验数据采集

2．5．2 实验数据处理

2．6 肢体协同训练康复机构方案

2．6．1 下肢康复训练机构的确定

2．6．2 上肢康复训练机构的确定

2．6．3 肢体协同训练康复机构的确定

2．7 本章小结

第三章 康复机构运动学分析与设计

3．1 引言

3．2 机构运动学的D-H表示法

3．3 康复机构运动学分析

3．3．1 下肢康复机构的运动学分析

3．3．2 上肢康复机构的运动学分析

3．4 下肢康复训练机构的设计

3．4．1 下肢康复机构设计目标

3．4．2 机构基本参数的确定

3．4．3 探究单因素对轨迹的影响

3．4．4．探究多因素对轨迹的影响

3．5 上肢康复训练机构的设计

3．6 本章小结

第四章 康复系统的人机模型分析

4．1 引言

4．2 人-机模型的建立

4．2．1 建立人体肢体模型

4．2．2 建立人-机仿真模型

4．3 人体关节运动分析

4．3．1 女子K5的人—机仿真分析

4．3．2 女子K50的人—机仿真分析

4．3．3 男子K50的人—机仿真分析

4．3．4 男子K95的人—机仿真分析

4．3．5 男子K50位姿调整下仿真分析

4．3．6 男子K50肢体运动规律的分析

4．4 PI匀速控制

4．4．1 PI控制系统

4．4．2 PI增益系数的DOE计算

4．4．3 不同目标下的PI控制

4．4．4 脚踏匀速状态下各关节运动

4．5 机构受力分析

4．5．1 各杆的受力分析

4．5．2 各杆的应力及其形变量比较

4．5．3 支撑杆强度增加措施

4．6 本章小结

第五章 物理样机制作与实验

5．1 引言

5．2 物理样子制作与实验

5．2．1 物理样机的制作

5．2．2 下肢训练轨迹调整实验

5．2．3 尺寸参数对关节活动度的影响实验

5．2．4 肢体协同运动规律实验

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况