多位智能柔性康复外骨骼设计与优化研究

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随着世界人口增多,老龄化人口已经占据着总人口中的12.8%,使得脑卒中和下肢偏瘫患者数量急剧增加,成为了社会急需解决的问题。所以下肢康复训练机器人的发展前景是可观的,但是现阶段的下肢康复机器人因不够智能化,且训练方式过于单调,使得该类产品受到极大的限制。为能够使下肢偏瘫患者得到更加有效康复训练,解除单一的固定站立式或平躺卧床式训练方法,实现多位智能康复训练,将起立床与下肢外骨骼相结合,进行多位智能柔性下肢康复外骨骼设计与优化研究。考虑下肢外骨骼的轻量化、柔性化和智能化,结合人体下肢生理学结构,对整体结构进行设计,包括下肢髋关节与膝关节的电机驱动、锥齿轮传动以及调节与限位装置,完成了人体下肢髋关节以及膝关节的康复训练。对外骨骼单边腿的模态分析与静力学分析后,证明了下肢外骨骼结构的可靠性。同时利用动力学建模仿真和运动学建模仿真,帮助验证了下肢外骨骼结构设计的合理性。研究多位起立床的功能,同时考虑与下肢外骨骼的协同性、安全性,进行多位起立床的结构设计,包括床体起立和升降移动跨的电动推杆驱动以及直线滑台的驱动,实现了床体0-90°的旋转、胯关节的升降以及跨距的调节,防止体位性低血压所造成的二次伤害。硬件控制系统是多位下肢外骨骼整体控制的核心,同时也是起立床与下肢外骨骼的中间枢纽。针对控制系统进行单边训练、复合训练以及评估训练模式三种模式与PID模糊控制算法的整体设计。将被动硬件控制系统的核心控制器选定为STM32单片机,并进行角度传感器、压力传感器等的选择。根据所需要的功能来完善整个控制系统的电路图,并且将硬件与控制系统连接进行调试。建立多位下肢康复外骨骼样机并搭建控制系统,进行了外骨骼、起立床和控制系统相关数据测试,结果显示系统运行正常。通过实际样机的测试得到了髋关节、膝关节和起立床运动的角度变化与仿真对比以及升降移动跨运动的位移与仿真对比,根据对比结果,证明了多位下肢外骨骼控制系统和结构设计的合理性。
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