一种穿戴式下肢康复机器人的步态规划及康复策略

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随着近年来我国老龄化程度的加剧,伴随而来的老年人各种疾病发病率也明显增加,其中由各种心血管疾病引起的下肢运动功能障碍为患者本身、家庭以及社会造成了巨大的伤害。鉴于我国康复医学发展水平有限,同时医院的康复医师数量和精力有限,导致许多下肢障碍患者错过了最佳的康复时期,造成终身遗憾。因此,对于可代替康复医师对患者进行康复训练机器人的研究很有必要。本文针对患者的下肢康复活动,设计了一款可以穿戴于患者下肢的双足下肢康复训练机器人,为患者的下肢康复训练提供一种新的途径。文章首先介绍了国内外关于下肢康复训练方面的研究背景、现状以及未来的发展方向,阐述了下肢康复训练机器人的研究意义、目的。通过对人体下肢关节骨骼特点的分析,结合康复医学理论提出了一款穿戴式下肢康复训练机器人模型。利用齐次变换法对模型进行了正运动学分析,介绍了利用数值法求解逆运动学的步骤,并通过Matlab/SimMechanics工具箱对康复机器人单腿支撑时摆动腿末端的轨迹进行了仿真实现。在对康复机器人的步态规划中,首先把连续的步态过程分解为相应的许多小步,然后对每一小步进行规划。在建立的康复机器人数学模型基础上,将双足机器人抽象为倒立摆,以康复机器人行走过程中零力矩点ZMP在脚底的位置不发生改变为基础,利用倒立摆模型的运动规律,分别计算机器人质心和摆动腿的运动轨迹,对康复机器人进行步态规划,推导出各步态的规划函数。以上文对机器人的步态规划为基础,结合相关资料通过选取不同步态参数为患者的康复训练确定了八种步态康复模式。然后,以康复模式F1中步阶段左脚支撑时右侧下肢为研究对象,利用上文介绍的数值解计算逆运动学的方法进行了逆运动学求解,将得到的各关节离散角度值通过Matlab曲线拟合工具箱进行数据处理,得到此阶段各关节角度关于时间的连续曲线及其函数表达式。为下一步控制系统的研究提供了理论依据和技术支持。
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