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《华侨大学》 2016年
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下肢康复机器人的设计与研究

高红凯  
【摘要】:医疗康复训练机器人是机器人领域涉足医学康复领域的一个典型代表。它使医疗康复训练工程逐步走进了自动化,现代化,以及规范化,从而可建立规范/标准的医疗康复数据库,进而可实现大数据分析,以提高康复医疗的效果。其中下肢康复机器人是医疗康复训练机器人的典型代表,用它来协助有下肢功能性障碍的患者,在跑步机的配合下,使患者按照正常人的步态康复训练。在康复训练过程中逐渐恢复患者下肢运动能力,最终达到能独立行走的康复目的。本文首先研究了国外和国内下肢康复机器人领域的发展趋势,总结了在这个领域需要攻克的重点难点。在对下肢机器人的结构设计和原理研究的基础上,结合了人体运动学机理,从而确立了下肢康复机器人的驱动装置和初步长度尺寸等,最终设计出了符合人体运动学机理、机构简单、轻量化、能自由调整可调机构的实验样机。本文在建立下肢康复机器人运动学方程和动力学方程的基础上,运用Matlab/SimMechanics工具箱构建了机器人模型,理论/仿真模型的有效性通过借助ADAMS搭建的虚拟样机加以验证。并在此基础上进行了踝关节(节点)的轨迹分析,髋关节/膝关节的角度分析,驱动力/力矩分析,驱动行程分析,同时研究了髋关节跳动的影响(模拟人体真实步态环境)。并完成了实验样机的机械设计方案,同时搭建了基于dSPACE硬件在环仿真平台,已为下一步样机测试/研究打下基础。
【关键词】:下肢康复机器人 MATLAB/SimMechanics ADAMS
【学位授予单位】:华侨大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP242
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-9
  • 第1章 绪论9-21
  • 1.1 课题背景9-10
  • 1.2 课题研究目的及意义10-11
  • 1.3 下肢康复机器人的发展历程11-18
  • 1.3.1 国外下肢康复机器人的发展历程11-15
  • 1.3.2 国内下肢康复机器人的发展历程15-18
  • 1.4 本课题难点分析18-19
  • 1.5 本文主要研究内容19-21
  • 第2章 机器人总体方案的设计21-41
  • 2.1 总体方案21
  • 2.2 人体下肢运动机理的研究21-26
  • 2.2.1 人体结构解剖研究21-22
  • 2.2.2 人体下肢关节研究22-25
  • 2.2.3 人体步态分析25-26
  • 2.3 机器人机构方案26-38
  • 2.3.1 机器人下肢长度参数的确定26-27
  • 2.3.2 机器人下肢关节屈伸角度的确定27-29
  • 2.3.3 机器人下肢驱动方式的确定29-32
  • 2.3.4 机器人下肢电机驱动装置安装位置和行程的确定32-35
  • 2.3.5 机器人下肢机械结构设计35-38
  • 2.4 机器人控制方案38-39
  • 2.5 本章总结39-41
  • 第3章 下肢康复机器人运动学建模与分析41-55
  • 3.1 引言41
  • 3.2 坐标变换41-44
  • 3.3 正运动学求解44-46
  • 3.4 逆运动学求解46-47
  • 3.5 基于SimMechanics的机构仿真47-54
  • 3.5.1 机器人二连杆模型建立与仿真分析47-50
  • 3.5.2 下肢康复机器人模型建立与仿真分析50-54
  • 3.6 本章总结54-55
  • 第4章 下肢康复机器人动力学建模与分析55-69
  • 4.1 引言55
  • 4.2 动力学分析方法55-56
  • 4.3 下肢康复机器人动力学建模56-60
  • 4.4 下肢康复机器人ADAMS动力学仿真60-68
  • 4.4.1 ADAMS简介60-61
  • 4.4.2 基于ADAMS的动力学仿真分析61-65
  • 4.4.3 机器人驱动电机功率确定65-68
  • 4.5 本章总结68-69
  • 第5章 下肢康复机器人闭环控制系统的搭建69-84
  • 5.1 引言69
  • 5.2 控制系统的构成69-79
  • 5.2.1 dSPACE实时仿真平台69-70
  • 5.2.2 DS1103 PPC控制器70-71
  • 5.2.3 dSPACE系统开发软件Control Desk Next Generation71
  • 5.2.4 伺服驱动器71-74
  • 5.2.5 电机推杆和霍尔编码器74-75
  • 5.2.6 限位传感器和力传感器75-78
  • 5.2.7 下肢康复机器人以及支架78-79
  • 5.3 下肢康复机器人控制平台的实现79-82
  • 5.4 步态轨迹曲线的对比82-84
  • 第6章 总结和展望84-86
  • 6.1 论文总结84-85
  • 6.2 课题展望85-86
  • 参考文献86-90
  • 致谢90-92
  • 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果92

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