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文档简介
下肢康复机器人人因动作分析河南科技大学机电工程学院周威指导老师:王会良人因分析及康复机器人设计要求2人体下肢关节参数及机器人参数4课题背景及研究现状31步态分析33运动学分析351.课题背景及研究现状课题背景
经济的快速发展,交通工具增多,交通事故也随之增加,与此同时,随着人民生活水平的日益提高,心脑血管病的患病率也逐年上升,据统计,我国每年有大约175-200万脑中风患者在治疗后存在不同程度的肢体运动障碍。这类患者除了必要的手术和药物治疗外,正确、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高也起到非常重要的作用,下肢康复机械应运而生。
国内现状:
国内研究较晚,成果主要集中在各高校。主要成就:
清华大学研制的GRTS步行康复训练机器人哈工大研制的步态辅助机器人
上海大学设计开发的一种四自由度外骨骼机器人等2.人因分析及设计要求人机界面基本平面:前向平面(矢状面)侧向平面(额状面)横向平面(水平面)基本轴:矢状轴(前后方向)额状轴(左右方向)垂直轴(上下方向)下肢各关节活动范围:髋关节:
前屈0°~150°;后伸0°~15°;内收20°~30°;外展30°~45°;外旋40°~50;内旋40°~45°
膝关节:屈30°,伸180°(以大腿杆为x轴)设计要求
(1)合理设计系统的拟人化机构这包括机械结构和关节运动副的优化设计,运动自由度的分配和冗余自由度选择等
(2)机械材料选择(原则:安全、舒适、经济)
(3)康复机械与患者的运动协调问题
(4)外骨骼步态规划和生成及运动稳定性问题a.离线规划,在线校正:依据人体运动学统计数据进行步态规划,依靠执行器的控制来完成步态的生成。b.使用已有的人体运动学统计数据实现步态;让外骨骼自己跟踪和学习操作者的步态选取大腿杆范围390-520mm,小腿杆300-420mm下肢各关节运动自由度
人体单侧下肢共有7个自由度,髋关节有3个自由度,膝关节和踝关节分别有2个自由度。本课题着重研究是各关节在前向平面(矢状面)内绕额状轴的旋转运动,为了充分锻炼患者的屈伸能力,选取的各关节屈伸值。
机器人参数的确定在设计制造康复机器人时,除了需考虑体积、重量等原因,每设计增加一个自由度都造成康复机器人制造成本的增加。因此需要根据实际的需要,对下肢各个自由度进行取舍,建立一个新的运动模型,使设计的人体下肢康复机器人在满足功能的前提下,最大限度的减少自由度。5.运动学分析下肢各体段质量及质心位置
人体下肢体段的质量分布和质心位置是人机系统的动力学分析是必不可少的参数,由于外骨骼式下肢康复机器人主要针对人体下肢提供动力补偿和协助,因此,需要了解人体下肢各环节的参数,根据CT法,得出人体下肢各体段质量分布及质心位置分布图人体下肢各环节转动惯量
利用CT法确定了转动惯量的回归方程式
式中:
X1——体重,kg
X2——身高,cm
B0,B1,B2,——二元回归方程系数结合上表,选择身高为175cm体重为71kg的男性为例计算其大腿惯性指标为
=-3705.377+4.284*71+28.621*175kg
kg.cm2=1607.462kg·cm2
=-3664.899+5.549*71+28.078*175
kg.cm2=1642.73kg·cm2
=318.31kg·cm2
在lr1,lr2和OA组成的三角形中,(令OA=x2+y2)利用余弦定理可得:
然后可以得到角qr2的余弦值qr2有两个解(其中一个解由虚线表示),根据机构的实际情况可舍去一个解,得:下肢康复机器人控制方案
控制方案的好坏决定了控制系统整个性能的好坏,而控制系统性能很大程度上决定了下肢康复机器人的性能。可以说控制系统是下肢康复机器人的重要组成部分之一,机器人能够协助患者完成康复训练,就必须具有一个功能完善、操作简洁、灵敏和安全可靠的控制系统结论 本文结合国内外研究现状,分析下肢康复机器人系统的设计难点。并通过对人机界面进行研究,分析下肢各关节的运动范围。 而后结合人体下肢康复理论,对下肢的运
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