可穿戴式下肢外骨骼康复机器人研究

【摘要】：随着人体下肢运动障碍患者逐年增多,对下肢外骨骼康复机器人的需求日益增加。以康复过程人体舒适性为目标,基于人体下肢逆运动学优化结果,完成了下肢外骨骼结构设计,通过建立人机耦合动力学模型,探究了绑带位置及材质对人机之间接触力的影响规律,分析了主动康复过程人体下肢肌肉代谢值变化规律,提出了基于舒适性的外骨骼控制方法。主要研究工作概况如下:基于Open Sim软件,通过建立高精度人体肌骨模型,探究了特定个体正常步态关节运动规律的求解方法。经比较,RRA(残差缩减)算法比IK(逆运动学)算法误差更小。针对不同个体,基于康复安全舒适性要求,设计了可调式下肢康复机器人总体方案,主要对传动部件、可调部件结构设计和安全限位等进行了研究,并采用Solid Works完成整体结构建模。针对下肢康复机器人,建立运动学模型和动力学模型,基于Matlab/Simulink方法实现了动力学仿真,得到了下肢康复机器人正常步态行走过程中髋、膝、踝关节力矩变化规律,该方法求解快速准确。基于人体舒适性,建立人机耦合动力学模型,完成了绑带和人体柔性化,采用Ansys和Adams联合仿真,探究了绑带无量纲位置对腿部接触力的影响规律,为下肢康复机器人穿戴舒适提供了必要参数。为满足不同康复阶段助力需求,依据Hill理论,构建肌肉-肌腱静力学模型,基于Notepad++编程环境,实现了人体和外骨骼耦合,完成了无穿戴和穿戴外骨骼行走时人体肌肉代谢分析,得到了一个步态周期肌肉代谢变化规律,结果表明穿戴下肢康复机器人能够按照康复要求提供助力效果。基于康复舒适性要求,提出了一种模糊PID控制算法,通过与PID进行比较,发现模糊PID控制的下肢康复机器人能快速跟随人体运动规律。图88幅;表17个;参65篇。