康复训练机械腿的研究

论文摘要

医学理论和临床实践证明,除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外,科学正确的康复训练不仅对有下肢运动功能障碍的老年人能够起到恢复步行的功能,而且对于因脑部疾病和意外事故引起的下肢运动障碍的患者也能起到下肢运动功能的恢复和提高作用。因此,康复训练机械腿设计的主要目的就是：通过机械腿与人的配合,并且借助人体的平衡性、协调性以及机械腿的动力性和准确性,为患者提供安全的步行训练以及辅助其行走。首先,本文通过对人体下肢运动机理初步研究,提出了康复训练机械腿的设计原则,在此原则及人体下肢结构的指导下,对康复训练机械腿的机械结构进行了设计,主要包括：主要包括：髋关节、膝关节、踝关节和脚部结构的设计及自由度的配置。之后,基于三维参数化软件Pro/E建立了康复训练机械腿的三维实体模型。然后,对旋量理论和Paden-Kahan子问题进行了一个阐述,基于旋量理论,推导出机械腿的正运动学指数积公式,并进一步采用Paden-Kahan子问题,求解出了机械腿的逆运动学的解,在这基础上对机械腿的雅可比矩阵和动力学进了详细的分析。另外,根据机械腿拟人的结构特点,对机械腿进行了离线的步态规划,并通过ZMP判定准则验证步态的稳定性。最后,利用三维CAD软件PRO/E建立了康复训练机械腿简化的三维模型并将其导入虚拟技术样机仿真软件ADAMS建立了康复训练机械腿简化的虚拟样机,利用Matlab中的Simulink工具箱建立了机械腿的控制系统,通过ADAMS中Controls接口模块实现了两者的联合仿真,验证了步态规划、控制系统的有效性,并得到了康复训练机械腿在步行过程中各个关节的力矩变化曲线,为选择驱动部件提供了依据,也为物理样机的研制及改进打下了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 选题背景和意义
• 1.3 外骨骼机器人国内外研究现状
• 1.3.1 助力式外骨骼机器人研究现状
• 1.3.2 康复训练外骨骼机器人研究现状
• 1.3.3 国内骨骼机器人研究现状
• 1.4 康复训练机械腿技术难点分析
• 1.5 本文主要解决的问题
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 康复训练机械腿的机械结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 人体下肢运动机理及解剖学
• 2.2.1 下肢运动机理
• 2.2.2 下肢解剖学
• 2.3 机械结构设计要求
• 2.4 材料的选择
• 2.5 机械结构设计
• 2.5.1 下肢自由的配置
• 2.5.2 髋关节
• 2.5.3 膝关节
• 2.5.4 踝关节
• 2.5.5 拇趾跖趾关节
• 2.5.6 身材兼容性考虑
• 2.5.7 驱动的选择
• 2.5.8 外骨龍机械腿总体机械结构
• 2.6 小结
• 第3章 康复训练机械腿的数学建模
• 3.1 引言
• 3.2 旋量理论与PADEN-KAHAN子问题
• 3.2.1 旋量理论基础
• 3.2.2 Paden-Kahan子问题
• 3.3 运动学模型
• 3.3.1 正运动学
• 3.3.2 逆运动学
• 3.3.3 雅可比矩阵
• 3.4 动力学模型
• 3.5 小结
• 第4章 康复训练机械腿稳定步行约束条件
• 4.1 引言
• 4.2 重心的地面投影点和零力矩点
• 4.2.1 重心的地面投影点的计算
• 4.2.2 零力矩点的计算
• 4.3 支撑腿踝关节驱动力矩的ZMP稳定性约束
• 4.4 小结
• 第5章 康复训练机械腿步态规划和稳定性判定
• 5.1 引言
• 5.2 步态规划
• 5.2.2 步态规划的基本原则
• 5.2.3 步态规划的方法
• 5.2.4 平面步态规划
• 5.3 步态稳定性判定
• 5.4 小结
• 第6章 康复训练机械腿虚拟样机建模与仿真
• 6.1 引言
• 6.2 虚拟样机技术及仿真软件
• 6.3 虚拟样机模型建立
• 6.3.1 机械模型建立
• 6.3.2 仿真环境的搭建
• 6.4 虚拟样机联合仿真
• 6.4.1 控制系统设计
• 6.4.2 ADAMS与Matlab/Simulink联合仿真
• 6.4.3 结果后处理
• 6.5 电机/减速机的进一步选择
• 6.6 步态曲线生成和数据采集控制面板设计
• 6.6.1 步态曲线生产控制面板
• 6.6.2 数据采集控制面板设计
• 6.7 小结
• 第7章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 附录A 机械结构二维图
• 附录B 基于旋量理论的机械腿动力学MATHEMATICA部分符号推理程序
• 附录C 步态规划相关的MATLAB计算程序