平地步行下肢康复外骨骼机械结构设计开题报告

PAGEPAGE9开题报告602.54651.762025320555人口老龄化的加剧，因为机体老化，脑卒等原因导致的下肢功能障碍的患2.康复治疗的疗效受限于康复治疗师的医学水平。因此，许近年来，下肢康复治疗机器人越来越多的运用到临床治疗当中。但是。目和柔性驱动。本课题的研究成果对下肢康复机器人的研究与应用具有经济意义。目前国内外学者研究的下肢康复机器人驱动方式主要分为四种：电机驱驱动的下肢康复机器人有：国外的MINDWALKER、LOPES、ALEX、Lokomat、WalkTrainer、RewalkAILEGES（）AIWALKER（）。LokomatLokomatLOPESMINDWALKER，该机器人通过智能头盔接受患者脑部指令并产生电机驱LOPESMINDWALKERAILEHGSAIWALKER现快速适配的下肢康复机器人。其中AILEGS为双足型下肢康复机器人，AIWALKER要不绑带固定板登采用TC4EXPOSPLLOPAMandPOGO。PAMandPOGO，该机器人采用伺服气PAMPOGOPOGOPLLO，该机器人由碳纤维和聚丙烯外EMGEksoEksoBionicsHULC2012者完成从坐立到站立、从站立到行走的切换。近年来，该公司在EksoEksoGT采用柔索驱动的下肢康复机器人具有机构惯性低、工作空间大、综合成本低等优点。德国弗劳恩霍夫学会研制的STRING-MAN46STRING-MANPC+DSP北京交通大学方跃法等人提出了一种三自由度的适用于脚踝康复的并联趾CAD第一周：查阅相关文献，撰写文献综述第六周：学习文献中的截瘫患者术后康复训练相关理论第七周：学习康复训练机器人控制相关理论第八周：对康复训练机器人的结构和驱动方式初步确定第九周：对康复训练机器人机械系统的部分零部件进行设计：支撑结构、机构驱动方案设计第十周：根据设计的数据，对机械系统进行三维建模第十五周：论文定稿，根据《长春理工大学本科论文格式要求》，对论文的格式进行修改，包括对论文的排版，插入图表的格式等进行修改（2000康复机器人是国际前沿技术，它出现的历史较短，但是发展速度却很快，近年来不断有新的研究成果出现。为了实现更好的康复效果和实现运动控制，自动化和机器人辅助的运动康复从上世纪90年代开始出现。20GT1)或LokomatMMINDWALKERMW二、下肢康复训练机器人的研发限制性EMGBF)GalvezAVR三、下肢康复训练机器人的发展趋势stance,heel-off,swingheel-stike,2通过逐渐矫正到达健康恢复的目的。1010四、下肢康复训练机器人产品市场2005250020101050060风幸存者，其中的20万病人在中风后存在长期的运动障碍。1111价参数，有助于机器人辅助治疗偏瘫研究的深入开展,具有改善康复效果和提高康复效率的潜力。随着人口老龄化及激烈的市场经济竞争，康复问题将要成为一个社会问题。康复机器人及其系列产品将有广泛的市场前景。11PAGE10[D2019.[D].2020.[D]析[D]2019.ShiqianWang,LetianWang,CoryMeijneke，etal.DesignandControloftheMINDWALKERExoskeleton.IEEETRANSACTIONSONNEURALSYSTEMSANDREHABILITATIONENGINEERING,VOL.23,NO.2,MARCH2015.RafaelR.Torrealba,SamuelB.Udelman,EdgarD.Fonseca-Rojas,etal.Designofvariableimpedanceactuatorforkneejointofaportablehumangaitrehabilitationexoskeleton.MechanismandMachineTheory116(2017)248–261.2018，37(7):96-102.[D]D2017.D2018.D.2003[12]D[13]王良诣.卧式下肢康复机器人结构设计及优化[D].合肥工业大学,2017.[14]黄晓林,人体运动学[M].2013.李晓飞.下肢康复机器人的设计及控制策略研究[D].哈尔滨工业大学，2016.[D][17]进展[J]2017,23(7):788-791.D2014.Pei-ChunKao,ShraddhaSrivastava,SunilK.Agrawal,JohnP.Scholz.Effectofroboticperformance-basederror-augmentationversuserror-reductiontrainingonthegaitofhealthyindividuals[J].Gait&Posture,2013,37(1):113-120.AlbertoEsquenazi,MukulTalaty,AndrewPackel,MichaelSaulino.TheReWalkPoweredExoskeletontoRestoreAmbulatoryFunctiontoIndividualswithThoracic-LevelMotor-CompleteSpinalCordInjury[J].AmericanJournalofPhysicalMedicine&Rehabilitation,2012,91(11):911-921.KawamotoHiroaki,KamibayashiKiyotaka,NakataYoshio,YamawakiKanako,AriyasuRyohei;SankaiYoshiyuki,SakaneMasataka,EguchiKiyoshi,OchiaiNaoyuki.Pilotstudyoflocomotionimprovementusinghybridassistivelimbinchronicstrokepatients[J].BMCNeurology,2013,13(1):141.[22]D.M.Dryden,L.D.Saunders,B.H.Rowe,L.A.May,N.Yiannakoulias,LW.Svenson,D.P.Schopflocher,D.C.Voaklander.Utilizationofhealthservicesfollowingspinalcordinjury:a6-yearfollow-upstudy[J].SpinalCord,2004,42(1):513-525.[23]CollingerJenniferL,BoningerMichaelL,BrunsTimM,CurleyKenneth,WangWei,WeberDouglasJ.Functionalpriorities,assistivetechnology,andbrain-computerinterfacesafterspinalcordinjury[J].JournalofRehabilitationResearch&Development,2013,50(2):145-60.[24]A.L.Hof,J.Duysens.Responsesofhumanhipabductormusclestolateralbalanceperturbationsduringwalking[J].ExperimentalBrainResearch,2013,230(3):301-310.WangShiqian;MeijnekeCor;vanderKooijHerman.Modeling,design,andoptimizationofMindwalkerserieselasticjoint[J].IEEE...InternationalConferenceonRehabilitationRobotics:[proceedings],2013,2013:665-381.JonasVantilt,KevinTanghe,MaartenAfschrift,AmberK.B.DBruijnes,KarenJunius,JoostGeeroms,ErwinAertbeliën,FriedlDeGroote,DirkLefeber,IlseJonkers,JorisDeSchutter.Model-basedcontrolforexoskeletonswithserieselasticactuatorsevaluatedonsit-to-standmovements[J].JournalofNeuroEngineeringandRehabilitation,2019,16(1):65.,2015,37(1):53-62.2018，54（13）：1226-134.D2016.D，2016.4000与论文研究内容相关）MINDWALKER外骨骼的设计和控制也有电动的髋关节内外转（HAA）100NM1000W功率的弹性执行机构。一种基于控制器的有限状态机构提供步态辅助在矢平面和正平索引词汇：平衡控制、外骨骼、质心推断、步态辅助、MINDWALKER、系列弹性执行机构。一、介绍223-755人/10.3-832/359%无动力1960尽管取得了许多进步和成果，这种技术仍需要发展改进。尽管脊髓损伤患者能够再次行走，他们能够依靠拐杖维持稳定，但是他们行走的状态不如正常人类步态流畅和快速。我们相信电动髋关节的内外转动（HAA）对双腿行走的平衡是很有必要的。数学建模表明被动的两足行走是外侧不稳定的,即使在矢状面能够保持稳定。脚的定位（步长适应算法）能够有效的稳定被动HAA为了利用电动的MW（SEA），这种弹性执行器允许开发多种控制实现方式，也很安全，并且与HAA，MW2-DIIIIV和人机界面（HMI）的实现。实验结果和讨论在第五节和第六节中给出。二、下肢外骨骼的实际要求（尤其是SCI0.8m/s。MW90DINED（http://dined.nl/）5%9530kg，根据现有外骨骼的重量（Ekso和ReWalk20〜25REX38）I表ⅠMW外骨骼的技术要求#项目设计值E1驱动自由度每条腿4个E2最快目标移动速度0.8m/sE3最大可穿戴体重100kgE4可穿戴身高153-188cmE5最大可穿戴臀宽≤44cmE6外骨骼重量<30kgDoF和行走（II）。请注意，在此要求中，如果外骨骼与穿戴者之间存在未对准的情况，则膝盖1.5表Ⅱ关节运动范围#关节和自由度是否提供驱动力设计运动角度R1髋关节内外转是19°内/22°外R2髋关节屈伸是110°屈/18°伸R3髋关节内外翻否±10°R4膝关节屈伸是120°屈/1.5°伸R5踝关节屈伸否±20°R6踝关节内外翻否±10°R7踝关节内外旋否固定为了支持穿戴者在矢状面和额叶面均保持平衡，需要髋部外/内收，髋部屈曲/伸展（HFE）和膝盖屈曲/伸展（KFE）通电。还需要脚踝背屈/足底屈曲（ADP）。但是，这是一个技术折衷：一方面，无源ADPADP/（HEE）/（AIE）外旋转（AEE）被锁定，因为HEEIII）SEASEA，只能使其刚度低于弹簧的物理刚度输出。根据以前的研究，800Nm/rad0.8m/sNm/rad#项目设计值A1峰值扭矩100NmA2峰值功率>150WA3扭转弹簧刚度800Nm/radA4小扭矩带宽@2Nm20HzA5大扭矩带宽@100Nm4HzA6输出扭矩分辨率1NmA7闭环控制更新频率1000HzA8关节质量任意三、MINDWALKER本节重点介绍一些设计方面，主要包括外骨骼结构，致动系统，人体骨骼物理接口，最后是电子硬件。A、外骨骼的结构和框架在MWHAA（HEEHAAHFE1）HEE2）III-C）。从骨盆到脚，所有的自由度都按HAA，HEE，HFE，KFEADP尽量减轻体重。HAA，HFEKFEHEEADP0HEE（等效接头刚度约为600Nm/raAIEE3-E5（表I）。图一、MWHAAHFEKFE和ADPHAA，HFEKFEADP1.531.88mHAA0.44mB、系列弹性关节-驱动（SEA（关节扭矩和角度（220820Nm/rad（2.5％）100Nm99.99％的线性度，从而确保了精确的关节扭矩感测。滚珠（2（a）双螺旋系列弹簧的照片。通过这四个内圈孔，。（c）线性执行器组件。3.MWCAD（a）（c）、（b）A-ABLDCA607SV2，HackerMotorGmbH）组成。滚珠丝杠（SKFSD12X4）4mm，可以承4000N95902.5Nm1kW有关说明。6MOSFET（IRF7749（DRV8301，得克萨斯州）组成美国仪器公司（InstrumentsInc.）集成在执行器的背面。MOSFET（12（iC-MH8，iC-Haus控制。SEA（17NetzerDS-25，NetzerPrecisionMotionSensorsLtd.）2.9kg，其中线性1.1kgC、外骨骼的穿戴（。在脚踏板处，三个绑带可确保与穿着者的鞋子牢固的连接。在小腿上，一绑带防止膝盖屈曲和过度伸最后，两个背包绑带松散地连接了患者与外骨骼的躯干。踏板和骨盆支架很紧，但是小腿和大腿支架不能太紧（拧紧时可以放一个成年人的四根手指）。经过这样，佩戴舒适度就得到了改善，患者与外骨骼关节之间不可避免的错位是可以容忍的。使用袖带式支架时，也无法防止轴向旋转，这进一步容忍了HEE的偏移。D、电子和网络的结构4EtherCATE-BusEtherCATPCINOUT2000H，并且根据控制PC4.MWEtherCATEtherCATEtherCAT在六个动力关节中集成了六个从站。每个从站控制一台电机的脉宽调制（PWM）序列，并允许与一台电机编码器，两个模数（ADC）通道，一个弹簧编码器，两个关节编码器，一个称重传感器和一个惯ADC（扭矩（例如HE的联合角;IM（UM6-L，CHRoboticsHAAHEE些IMUw.r.t.重力。E、设计总结最新的MW外骨骼中28kg，它满足表1-3中的大部分设计要求。IV、外骨骼的控制和操作基本控制结构由三部分组成，即：定义不同运动的有限状态机（FSM）场景和逻辑，以提供所需的帮助耐心，HMIFSMMW由FSM有限状态机FSM5运动定义了辅助重量向右移动（S6）控制在额平面上，其功能是移动佩戴者外骨骼对腿部的重量。半（S3S7）62020人机界面5S1=站立S2=S3=半步右倾S4=全步右倾S5=S6=辅助体重向右移动S7=半步左摆S8=全步左倾S9=左脚在前的双脚支撑6.状态转换。“（HMI）”HMI模式。在此，使用躯干运动。没有文本的箭头表示在前一个状态完成时自动进行转（a）（b）通过半摇摆步态开始（S3）（c）STOP按钮时，状态机进入最近的终止状态（S9S5），并通过半摆（S3S7）返回到站立状态（S1）。MWHMI系统由按钮和CoM组成位置检测机制按钮：佩戴者或系统操作员可以使用一个按钮界面，以触发“开始”或“停止”行走，以及走动。CoMCoM佩戴者-外骨骼的CoMIMU（1lr1ll1）HAAHEE，HAA，HFE和KFE（7）计算相对CoM位置w.r.t.站立姿势和站立姿势中的前姿势脚定义了矢状权重偏移系数rs（简称矢22PAGE3状系数）和横向权重偏移系数r1（横向系数）。 (1)其中 在图7中给出。图7.估计CoM位置的草图。（a）矢状面和（b）额面。分别是CoM地面投影和矢状面和额面中的前（右）脚之间的距离。和 分别是步长和步宽。是挥杆HAA与脚之间的距离。f是引力与引力之间的夹角。是摆的长度。01S1，S2，S5，S6S9CoM0<0.35rl<0.45）时，将触发辅助重量偏移（S2S6）。关节联动的产生和跟踪、HAA，HFEKFE/双重姿势（S1，S5，S9）中，定义了参考标记，以使用户舒适地笔直站立。在权重平移（S2，S6）中，通S7S8），HFEKFE/HAAV）。步宽适应（SWA）侧向稳定性。如果穿戴者的外骨骼由于躯干或手臂运动等干扰或与其他人的互动而朝一侧跌倒，则应根据XCoM概念，将单步态（摆动）的双足步态建模为线性倒立摆（LIP），即，无质量可伸展腿将集中质量保持在恒定高度。额面ζ中的XCoM位置定义为

（2）其中 和 分别是横向CoM位置和速度， 是摆的本征频率其中x摆长（图7）和g重力。在正常步行过程中，