基于人机耦合动力学建模的康复助行机器人研究
发布时间：2023-06-18 02:18
随着我国进入老龄化社会,人口老龄化问题日益严重,在2017年60岁以上老年人人口已占总人口数的17.3%,预计2050年这个比例将会达到34.9%,且老年人护理工作需要占用很大一部分医疗护理资源,所以针对老年人步行和生活起居问题的助行机器人研究得到广泛关注。此外,脑卒中等脑血管疾病的致残率较高,人口老龄化使得因脑血管疾病而残疾的人数逐年增加,且传统治疗方式存在康复效率低、理疗师费用高、训练强度大和训练效果不一致等问题。结合以上两大需求,能够替代理疗师为患者提供扶持力和助力,在日常生活中帮助老年人和脑卒中患者进行步行辅助及康复训练的康复助行机器人,是目前下肢康复机器人研究的热点。然而,目前国内外研发的相关机器人并不能很好地结合助行辅助力和康复训练,且对骨盆运动轨迹和骨盆平衡控制训练的关注较少,缺乏对交互力辅助技术的理论分析。所以,研发辅助老年人及脑卒中患者进行康复训练和日常生活的康复助行机器人,研究人机交互力的控制算法,对改善患者生活质量和促进我国康复医学的发展具有重要意义。为优化交互力控制,本论文首先对患者双足行走进行建模分析,通过正常人与脑卒中患者的运动对比分析步态异常,总结脑卒中患...
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 助行机器人研究背景及意义
1.1.1 课题来源
1.1.2 课题研究的背景和意义
1.2 国内外相关领域研究概况与分析
1.2.1 国外机器人研究概况
1.2.2 国内机器人研究概况
1.2.3 下肢运动康复理论基础
1.3 人体动力学研究概况
1.4 论文的主要研究内容
1.4.1 康复助行机器人存在的问题
1.4.2 论文研究的主要内容
第二章 双足行走建模及患者异常步态分析
2.1 患者双足行走分析
2.1.1 人体生理机构特点及步态分析
2.1.2 3D模型及运动学建模
2.1.3 骨盆运动分析
2.2 双足行走动力学建模
2.2.1 关节力矩递推计算
2.2.2 动力学求解过程
2.3 人体行走的动力学仿真
2.3.1 Matlab/Simulink人体步态仿真
2.3.2 正常步态与异常步态分析
2.4 本章小结
第三章 助行机器人总体设计及性能分析
3.1 助行机器人研制目标
3.1.1 机械结构方案
3.1.2 康复助行机器人控制模式
3.2 助行机器人结构设计
3.2.1 助行机器人样机研发
3.2.2 助行机器人传感器布置
3.3 运动学建模分析
3.3.1 助行机器人的运动学
3.3.2 移动平台运动学
3.3.3 减重及骨盆支撑机构运动学
3.4 运动性能分析
3.4.1 可达性分析
3.4.2 灵巧性分析
3.5 本章小结
第四章 助行机器人动力学建模与交互力控制
4.1 助行机器人静力学建模
4.1.1 关节形变建模
4.1.2 支撑机构刚度建模
4.1.3 关节形变模型验证
4.2 助行机器人动力学建模
4.2.1 助行机器人的牛顿-欧拉方程
4.2.2 助行机器人动力学正解
4.2.3 助行机器人动力学逆解
4.3 助行机器人稳定性分析
4.3.1 静态倾覆性分析
4.3.2 动态倾覆性分析
4.4 交互力控制算法
4.4.1 减重支撑机构的减重力控制算法
4.4.2 移动平台助推力的前馈PD控制算法
4.4.3 引导力场控制算法
4.5 本章小结
第五章 康复助行机器人的实验研究
5.1 助行机器人可操作性实验
5.1.1 控制系统
5.1.2 可操作性实验设置
5.1.3 可操作性实验结果分析
5.2 减重力控制对比实验
5.2.1 实验设置
5.2.2 结果分析
5.3 助推力控制对比实验
5.3.1 实验设置
5.3.2 结果分析
5.4 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 论文的研究成果
6.2 下一步的研究工作
附录 多体系统的运动学及动力学
附录A 多体系统运动学建模
附录B 多刚体系统动力学建模
附录C 下肢康复评定量表
参考文献
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
作者在攻读博士学位期间所做的项目
致谢
本文编号：3834585
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 助行机器人研究背景及意义
1.1.1 课题来源
1.1.2 课题研究的背景和意义
1.2 国内外相关领域研究概况与分析
1.2.1 国外机器人研究概况
1.2.2 国内机器人研究概况
1.2.3 下肢运动康复理论基础
1.3 人体动力学研究概况
1.4 论文的主要研究内容
1.4.1 康复助行机器人存在的问题
1.4.2 论文研究的主要内容
第二章 双足行走建模及患者异常步态分析
2.1 患者双足行走分析
2.1.1 人体生理机构特点及步态分析
2.1.2 3D模型及运动学建模
2.1.3 骨盆运动分析
2.2 双足行走动力学建模
2.2.1 关节力矩递推计算
2.2.2 动力学求解过程
2.3 人体行走的动力学仿真
2.3.1 Matlab/Simulink人体步态仿真
2.3.2 正常步态与异常步态分析
2.4 本章小结
第三章 助行机器人总体设计及性能分析
3.1 助行机器人研制目标
3.1.1 机械结构方案
3.1.2 康复助行机器人控制模式
3.2 助行机器人结构设计
3.2.1 助行机器人样机研发
3.2.2 助行机器人传感器布置
3.3 运动学建模分析
3.3.1 助行机器人的运动学
3.3.2 移动平台运动学
3.3.3 减重及骨盆支撑机构运动学
3.4 运动性能分析
3.4.1 可达性分析
3.4.2 灵巧性分析
3.5 本章小结
第四章 助行机器人动力学建模与交互力控制
4.1 助行机器人静力学建模
4.1.1 关节形变建模
4.1.2 支撑机构刚度建模
4.1.3 关节形变模型验证
4.2 助行机器人动力学建模
4.2.1 助行机器人的牛顿-欧拉方程
4.2.2 助行机器人动力学正解
4.2.3 助行机器人动力学逆解
4.3 助行机器人稳定性分析
4.3.1 静态倾覆性分析
4.3.2 动态倾覆性分析
4.4 交互力控制算法
4.4.1 减重支撑机构的减重力控制算法
4.4.2 移动平台助推力的前馈PD控制算法
4.4.3 引导力场控制算法
4.5 本章小结
第五章 康复助行机器人的实验研究
5.1 助行机器人可操作性实验
5.1.1 控制系统
5.1.2 可操作性实验设置
5.1.3 可操作性实验结果分析
5.2 减重力控制对比实验
5.2.1 实验设置
5.2.2 结果分析
5.3 助推力控制对比实验
5.3.1 实验设置
5.3.2 结果分析
5.4 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 论文的研究成果
6.2 下一步的研究工作
附录 多体系统的运动学及动力学
附录A 多体系统运动学建模
附录B 多刚体系统动力学建模
附录C 下肢康复评定量表
参考文献
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
作者在攻读博士学位期间所做的项目
致谢
本文编号：3834585
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