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一种生物融合式膝关节康复机器人的设计及研究

王森  
【摘要】:针对膝关节运动障碍的患者,需要对其进行正确、科学的康复训练。在实际康复过程中,膝关节和外骨骼轴线之间会产生相对位移,患者常会感到不适。为了改善这一缺点,本文提出了一种生物融合式膝关节康复机器人。该机器人可以弥补人工康复治疗手段效率低、劳动强度大的缺点,同时能实现在康复过程中补偿人体膝关节与外骨骼膝关节转动中心的错位,使康复机器人与人体膝关节的运动达到协调统一。首先,基于膝关节解剖学,以一种具有变轴线转动的1R人体膝关节模型为基础,提出一种膝关节与外骨骼轴线自动对准的生物融合式膝关节康复机构型综合的方法,综合设计出一系列生物融合式膝关节康复机构,并根据人体的特征参数,提出了一种最优生物融合式膝关节康复机构。对综合的生物融合式膝关节康复机构进行具体结构设计,分析计算了该机构的运动学正反解,利用极坐标边界搜索法绘制出膝关节康复机器人的工作空间。通过矢量闭环法得到了机构各构件的速度和加速度,为生物融合式膝关节康复机器人动力学模型的构建提供研究基础。对生物融合式膝关节康复机器人进行动力学探究。建立膝关节康复机器人的牛顿欧拉方程,基于Adams/Simulink联合仿真技术得到生物融合式膝关节康复机器人的联合仿真模型,通过对动力学理论模型计算结果以及联合仿真结果进行比较,验证了生物融合式膝关节康复机器人动力学模型设计的正确性。膝关节康复机器人动力学模型的构建能够为后续样机零件的设计和优化提供理论依据。制作生物融合式膝关节康复机器人样机模型。针对康复机器人样机模型,进行控制系统硬件设计和人机交互界面编程,并完成了膝关节康复机器人屈伸运动实验。通过对多种传感器采集到的关节角度、肌电信号等数据进行分析,验证了膝关节康复机器人设计的合理性及可行性。通过对单自由度和生物融合式膝关节康复机器人运动实验的比较,验证了生物融合式膝关节康复机器人运动补偿的有效性。


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