下肢康复训练机器人的设计研究

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近年来随着中国老龄化程度的不断加剧,由疾病及其他原因导致下肢行动障碍的人群数量越来越多,康复机器人作为一种协助训练装置,得到了广泛应用。但现在下肢康复机器人关节处的驱动多为刚性,患者使用后反馈有不舒适、不自然等感觉;主动训练中阻抗力多从控制层面上添加,实现较为繁琐,训练中阻抗力多保持为恒定不变。本文以下肢康复训练机器人为研究对象,对其进行分析与设计,在机器人腿部增加一个柔性模块,主动训练中提供关节处非线性变化的阻尼;被动训练中增加关节处的柔顺性,满足患者舒适性和自然性的需求。最后设计了康复测量评估体系,根据体系评估结果,为患者选取最相似训练方案。首先确定下肢康复机器人的总体设计方案,然后对其组成部分如仿生双腿模块、柔性模块进行设计。通过查阅相关医学文献,确定仿生双腿的自由度、构件长度参数及关节活动范围,并建立D-H坐标系,进行正运动学分析,验证运动是否存在耦合性。为了覆盖更多的患者人群,仿生双腿模块对应大小腿部位长度可调节,双腿关节处设计有活动范围安全限位,避免超出人体正常关节范围患者而使患者受到二次伤害。针对下肢康复机器人被动训练中关节处缺少柔顺性的缺点,基于液压阻尼原理,设计了一种变阻尼器,将变阻尼器和弹性元件串联,组成柔性模块,旨在增加关节处驱动时的柔顺性。然后对柔性模块的两种安装形式进行动力学分析,选择保证柔性模块力矩稳定时间在0.5s内的安装形式。同时利用变阻尼器的变阻尼功能,实现主动训练中阻抗力的值呈非线性变化,实现“变阻抗”的训练方式。为使康复测量结果更加科学、高效,采用以患者自身健康侧肢体的运动参数为参考,主要从关节活动范围(ROM)、肌肉力量(F)、及步态曲线(G)三个维度进行患者康复效果测量和评估。首先利用AHP层次分析法对评价指标进行权重的确定;其次利用FCE模糊评价法建立三者的综合评价体系,综合反映患者的康复状况;最后为了科学的为患者制定康复训练方案,采用CBR案例推理为患者提供针对性的康复训练方案,计算机在分析已有案例的基础上,选取具有最大相似度的案例。根据最低相似度标准相关调整算法,对最大相似案例进行直接调用或者修改后重用。
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