【摘 要】
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在人体行走过程中,肌肉需要通过不断地收缩来驱动下肢完成运动,而对于老年人来说,自身的肌肉性能随着年龄增长而不断下降,已经成为阻碍他们行走的重要因素之一,这一问题在人口老龄化日益严重的今天已经成为亟待解决的社会问题。重力支撑型行走助力机器人作为一种为人体提供行走助力的人机一体化功能设备,主要利用自身结构的特点帮助减轻下肢行走过程中的肌肉力,提高其人体的运动能力。整体组成包括用于提供助力的动力装置、用
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在人体行走过程中,肌肉需要通过不断地收缩来驱动下肢完成运动,而对于老年人来说,自身的肌肉性能随着年龄增长而不断下降,已经成为阻碍他们行走的重要因素之一,这一问题在人口老龄化日益严重的今天已经成为亟待解决的社会问题。重力支撑型行走助力机器人作为一种为人体提供行走助力的人机一体化功能设备,主要利用自身结构的特点帮助减轻下肢行走过程中的肌肉力,提高其人体的运动能力。整体组成包括用于提供助力的动力装置、用于传递助力的机械装置及用于检测及处理人体运动意图信号的检测控制系统。它们作为人体下肢行走过程中的辅助动力参与到人机系统中,用以提高人体的综合活动能力。本文在分析了助力机器人的发展史及研究现状后,针对人体穿戴助力机器人后产生的运动灵活度问题、人机协同性问题及助力稳定性问题,提出了一种基于步态特征的重力支撑型行走助力机器人的技术方案,主要内容如下:(1)通过分析人体行走过程中的步态特征及各关节间的协同情况,提出了一种基于重力支撑的行走助力机器人的助力方案,结合人体下肢各骨骼及关节的生理学结构,完成了机器人下肢关节及自由度的分配,确定了机器人的结构设计方案,并完成了结构稳定性验证。(2)针对所设计的结构方案,建立了包括无支撑状态、双腿支撑状态及单腿支撑状态三种不同状态下的数学模型。通过对其运动学、动力学分析,描述了下肢走助力行机器人在三种运动场景的末端运动特征,并建立了下肢各关节的力矩模型。(3)针对行走助力机器人运动特点,提出了一种基于足底压力及足部运动速度的运动意图检测方案,搭建了一整套(包括运动意图检测、助力反馈、电机驱动、电池管理)硬件平台,并完成了相应的硬件测试。(4)利用人体足部灵活性的特点,提取了基于足底压力状态及足部运动信号的人体行走步态特征,并以此提出了行走助力机器人的阶段式控制方案,最后设计试验从助力稳定性及跟随实时性两个方面完成了整机系统性评价。试验结果表明,穿戴行走助力机器人时在步频方面符合人体正常行走规律,具有良好的跟随性;同时依据座椅的压力检测情况说明了行走助力机器人助力稳定性良好,实现了行走助力机器人设计的目标要求。
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