卧式下肢康复机器人机构设计及优化

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步行是人类生存和生活的一项必要动作,改善脑卒中患者的步态,使其重新获得行走能力是康复的一个重要目标。基于运动再学习理论,针对下肢瘫痪患者早期介入精准步态康复训练的需求,设计了一种新型七杆混联卧式下肢康复机器人。本论文在机器人的机构方案设计、尺寸优化和机器人步态规划方面进行了深入研究。首先,针对整个康复期的步态训练及康复早期的髋关节单关节训练的要求,设计了步态运动规律探究实验,获得了正常步态数据,并提出了一种新型两自由度七杆混联卧式下肢康复机器人设计方案。该机器人以4R-P型五杆机构为主要执行机构,在其连杆上串联一平面2R机构,构成混联闭链机构,对该机构的曲柄单驱动可实现步态训练,对曲柄和滑块进行混合驱动可实现髋关节训练。其次,通过运动学分析,验证所设计方案的可行性,并得到结论:足部驱动式下肢康复机器人若复现下肢关节的步态运动规律,则要求踝关节点的位移及对应的速度均需与正常步态的数据一致;基于平面2R串联机构的工作空间及四杆机构的尺度综合,分析所设计机构的尺度综合约束条件;以轨迹误差值最小为优化目标,提出基于遗传-拟牛顿混合算法的四杆机构优化方法,优化得到机器人执行机构尺寸。最后,针对机器人步态规划关键技术,探求了不同训练模式下的电机运动规律;通过人机模型分析,得到下肢关节运动曲线;分析关节运动数据,结果表明:所设计的机器人能够实现髋关节的平稳训练和精准复现人体步态规律的训练,满足设计要求。
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