卧式下肢康复,机器人的动态分析专业英语作业

关于卧式下肢康复机器人的动态分析 摘要：一种新型的基于并联机构的卧式下肢康复机器人依据下肢运动规律和康复医学理论 被发明出来。它可以帮助下肢有缺陷的病人。它可以帮助病人去训练臀部，膝关节和踝关 节为了确保在下肢训练的过程中安全和舒适，这个力量的作用点应该被熟知。基于拉格拉 日算法，推理了这种卧式下肢康复机器人的动态方程并运用 Siml 力学仿真工具进行了仿真， 证明了这个动态模型的正确性。此外，当控制机构动作时人体的下肢和机器人的动态参数 可以很方便的获得。这些参数为康复训练计划的研究，执行分析和更准确的力量控制提供 了理论基础。 关键词：卧式下肢康复机器人 并联机构 动力学 拉格朗日方程 引言 近来，脑血管疾病已经成为一种常见的疾病，它的幸存者的伤残率已经上升的 80%。调查表明这个 临床症状主要是下肢运动障碍，严重的影响了病人的日常生活。无论怎样传统的治疗很难满足病人的康复 需求。基于康复医疗和机器人技术结合的康复机器人技术将成为一个重要的方法去解决这样的问题。此外， 这项技术为病人提高生活质量和重返社会提供了条件。 康复机器人是一种医疗机器人，它主要帮助病人恢复各种运动技能的训练。在 1999 年，Abertay 邓 迪大学安川公司首先发明了治疗性锻炼机用来治疗麻痹患者的臀部和膝关节。随后，日本三重大学和英格 兰谢菲尔德大学 分别研制了康复机器人用于操作下肢关节的康复训练。但是，以上提到的这几种机器人 只能用于单侧下肢的康复训练。密歇根大学研制的基于阻抗控制的对称下肢康复机器人只能使下肢同时的 进行弯曲和扩展训练，这样这个训练方法就比较单一。瑞典科学家研制了一套校正系统去帮助下肢康复训 练，它的结构和控制相对来说比较复杂，有两个机器人矫正构成。然而在清华大学，他们研制了一个下肢 康复机器人，其原理类似于自行车大脚踏板。它基于肌电图信号实现反馈控制，但是对于多训练模型例如 分离训练运动是不能实现的。康复机器人是一种合作性的机器人在训练时，许多病人需要经历三个阶段， 弛缓性时期，痉挛的时期和恢复期。在不同的时期，锻炼下肢将进行不同模型之间的转换，例如分离运动 和协同运动。同时，下肢运动范围和施加力量应在正常和舒适的程度。因此在训练过程中考虑的不仅仅是 位置的精准还应该有力量控制的精准。只有这样，康复训练才会安全舒适。因此，基于下肢运动规律和康 复训 练角度形成，本文研究了一种新的基于并联结构的卧式下肢康复机器人，机器模型如下图 1.这个机器 人有许多优点，第一，它可以提供臀部，膝部和踝关节的训练模型种类，像这个合作训练运动。第二在这 个模型范围内，除了主动训练或者被动训练，它也可以实现主动和被动控制。第三，它来源于拉格朗日方 法的机器人动力学方程，为制作有效的康复训练计划，动作执行分析和高精确的力量控制提供了理论基础。 康复训练机器人的原理：人体是一个复杂的机构，迄今为止，没有任何机械模型可以被广泛的运用于 运动学和动态的分析。按照研究的目的，主要运用连杆去模拟人体下肢。因此，患者的脚作用于脚踏板， 这样患者的下肢和机器人一起形成了曲柄滑块机构。作为一个整体，患者的臀部，膝部和踝关节的运动可 以靠给两个机器人关节的输入获得。用哪种方法，帮助影响下肢康复的训练目的可以通过机器人实现。如 图 2 所示，它有两个机械装置，包括左腿机械装置和右腿机械装置，添加滑块机构，运用皮带传送装置控 制左右腿的机械运动，因此，它有三个自由度。一个自由度靠驱动滑块机制运动控制左右腿的往返运动。 这个过程实现了臀和膝部位的训练。另外两个自由度，运动驱动左右踏板使它们旋转，这个过程可以实现 踝关节的合理训练，确保踝关节在训练过程中的合适的位置以适应人类正常活动的需要。 它包含左右两套机械装置，这两套机械装置关于人体矢状面是对称的。涉及到的坐标系是以人体的矢 状面为基础的，所以我们只需要分析一个机械装置。依据位置和几何之间的关系来定义另一套设备的参数。 我们把右腿臀部的节点作为固定点，建造一个局部坐标系来分析右腿机械装置。坐标系统在图 3 展示。运 运动分析 如图 3 所示，数字指针顺时针方向旋转的角度定义为正方向，局部坐标系 ORXRYRZR 通过 Z0 轴的方向翻译得到.涉及到的 O0X0Y0Z0 坐标系，这个坐标原点是右臀部关节。PR 点作为机器系统的终端 参数 L1， L2，L3，L4,L5 ，L R,h 是已知的和 LBG,LCG,LGP,LCD,LCF 分别代表 BG,CG,GP,CD,CF 各自的长度。 按照人体测量数据库，LH 作为人体两脚板之间的距离，这个接近于两臀节点之间的距离。控制元素有规 律的的运动是 R, R, R, R, R, R.参数已经有图 3 给出。为了简化特征点，假设 S=sin,C=cos。 德纳维和哈顿贝格把坐标转换成矩阵方程进行运动分析，下边是获得的方程式 我们根据表 3 的几个关系得到了下列方程式。 动力学分析 A 下肢体的运动模型 下肢体有四个部分组成，分别是骨盆，大腿，小腿和 拉格朗日被用来获得动态方程 DR 的惯性矩阵是 阻尼矩阵 引力矩阵 每个下肢关节的广义力 B 机器人动态模型 作为已知的杆 4,5,6 的质量为 Mi，质点到轴 E,C,F 的距离是 ric，脚部压力方向和我们在图 中看到的是相反的，使机器人的广义坐标为 .机器人的动态方程由朗格朗日TRRX, 法得出 , 的惯性矩阵为RRRFGBM, M 阻尼矩阵，引力矩阵和总和成力为 V 仿真研究 研究一个身高 175cm,体重 70Kg 的实验对象，我们可以得到这个模型的框架结构参数，如 下所示： L1=0.221L,L2=0.237L,LBG=0.037L,LCG=0.05L,L3=0.094L,L4=0.190，L5=0.0559，L CD=0. 140,LDF=0.050，h=0.220,L H=0.267,LGP=0.025,LR=0.190,滑片的最大移动距离是 0.5.规定 每个杆的中间是质量的中心，如图 1 所示 在康复训练的过程中，要求信号提供作为： ,FRx 和 FRy 暂SsmXRR/2,/02. 时不考虑，把脚和脚踏板作为一个整体。哄，膝盖脚踝的动力学参数可以通过动力分析计 算的到，然后再经过分析计算，影响康复训练时间的动力参数将被输出。运用 MATLAB 仿 真软件和按照表 2 设置仿真框架模型。以此来检验机器人的运动学和动力学结果。这是人 体和机器人下肢的仿真模型框架，图标 5 和 6 显示了动力学和运动学的不同曲线。表 4 是 人体下肢和机器人的仿真模型。图表 5 是下肢足关节的角度。“ ”线导出公式的输出曲 线“”线是仿真模型输出线。图标 6 是下肢关节瞬时力和机器人的驱动力，“ ”是驱 动方程的输出线，“”线是仿真模型输出线。 仿真证明，这个运用动力学和运动学方程得出的曲线和仿真框架的出处的曲线 是一样的，因此证实运动形式是正确的，和这个结果可以作为基本原理运用于 卧式下肢康复机器人控制康复训练，和作为完善和改良基础框架。 为了使病态部位的到好的效果，角和脚踏板之间的受力应该考虑，规定信号用 来表示，让 FRx=FRy=20N。病态部位的瞬间驱动力如图 7SsmXRR/2,/02. 所示。从图 6 和图 7 对比不难发现下肢关节病的康复训练力被脚和脚踏板之间的力所影响。 同时，分析图表 5.6.7，基于人体工程和生物工程的运动数据，不难知道关于哄，膝和踝的 运动范围和力满足人体正常的范围和舒适度的要求。每个关机的角度在训练的时