仿生运动坐站辅助机器人设计与优化

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经济社会的持续发展为我们的生产生活带来极大便利的同时也不可避免地带来许多问题。其中,人口老龄化程度不断加剧引发的养老问题和慢性病康辅问题,以及庞大人口基数下意外伤害者的康复照护问题,残疾人群保证尊严下的高质量生活问题等等关乎提高国民整体素质和国民生活水准的实际困难和矛盾越发受到大众关注。在照护康辅领域,下肢运动功能障碍者的训练防护问题因其可以保证或提高该人群最基本的运动行走能力而得到人们的重视。越来越多的研究涉足该领域,相关康辅训练产品相继应庞大市场需求而生,康复器械领域的发展越发繁荣。面对该领域如此向好的发展趋势,为满足实际市场需求在该研究方向中进行坐站运动的相关研究,并基于此设计一款智能辅助训练机器人十分可行。基于对国内外康复医疗机器人及相关康复产品的调查研究,本文首先针对人体自然站起动作进行重点研究,建立了简化的矢状面人体4肢段模型,通过对下肢运动学的分析建立了获取普遍意义下人体髋关节点仿生运动曲线的方法,并结合标准人体肢段尺寸获取了仿生运动数据。在此基础上对站起运动动作进行了动力学分析,在站起动作稳定防摔方面对站起过程重心稳定性进行了理论研究,针对下肢运动肌肉的研究主要目的则是通过建立正向生物力学模型获取站起过程中的关节力矩,通过与逆动力学建模的方法结合为获取运动训练过程中的实时下肢关节力矩提供了可供参考的理论方法。结合前述理论研究,本文进一步设计了一款以辅助坐站运动为主要目的的康复训练机器人,借助CATIA软件对该机器人的机械结构进行了三维建模,并对结构进行了标准化的尺寸设计,借助有限元分析软件Hypermesh对该结构划分了网格完成了相应的安全性验证,并在安全设计要求下进一步完成了以降低生产运输成本为目的的轻量化设计。本文通过站起运动理论分析和实体机械结构设计搭建了站起功能康复训练系统,通过对人体站起运动轨迹与机械结构的运动轨迹对比,验证了仿生运动坐站辅助训练系统的科学性与实用性。值得强调的是,本文涉及的研究内容虽然取得了一定的成果,但对于坐站运动的研究还需要进一步深入,相关理论方法还需要继续完善。特别是对于康复机器人的机械结构设计,仍需进行以临床实验为最终目标的实体化生产工作,而且坐站功能康复训练系统也需要以实体化应用为目标进一步完善。
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