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偏瘫患者辅助行走下肢康复外骨骼系统开发研究

作　者: 吴海杰
导　师: 杨灿军
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 偏瘫康复下肢外骨骼步行训练控制策略
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

近年来,随着机器人技术的发展和学科交叉性的日益增强,运动康复外骨骼技术研究成为了一个热门的研究领域,而针对偏瘫患者的运动康复外骨骼就是其中一个重要的研究方向。偏瘫是一种由于大脑损伤而引起的一侧肢体运动功能障碍为主要表现的体征,患者行走时表现为支撑相长短步、摆动相划圈步的异常步态。将外骨骼技术引入偏瘫患者的步行康复训练中,不仅可以有效纠正划圈步态,促进患者正常步行能力的恢复,而且可以依靠外骨骼动力辅助患者行走,将理疗师从繁重的体力劳动中彻底解放出来。首先,本课题在调研大量国内外研究机构开发的辅助行走外骨骼的基础上,利用并改进原有下肢康复外骨骼的机械结构,采用滚珠丝杆伸缩模拟下肢主要肌群的作用,充分考虑安全可靠、可穿戴调节因素,初步设计了一种电机驱动髋、膝关节实现屈伸运动的单腿外骨骼。其次,搭建了一套以DSP和电机驱动器为控制核心的硬件系统,并基于CANopen通讯协议和Zigbee无线技术实现了系统的可靠通讯。在此硬件基础上分别开发了下位机控制程序和上位机用户界面,实现了关节电机的快速、准确控制和人机的友好交互。此外,针对偏瘫患者不同步行康复训练阶段的不同需求,制定了被动控制和自主控制两种不同的步行训练控制策略,具有步态相位反馈和运动意图检测判断功能,能够提高患者步行训练的舒适性和自主性,达到预期康复效果的目标。最后,在原型样机系统的平台基础上,进行了一系列初步的系统测试实验,包括外骨骼空载实验和正常人参与的步行实验,验证了系统基本功能的安全可靠性和自主步行训练的可行性,基本实现了系统的辅助行走功能,为后续的双腿外骨骼研究提供了初步的理论和实践基础。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-20
  1.1 研究背景及意义  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-16
    1.2.1 国外研究现状  12-15
    1.2.2 国内研究现状  15-16
  1.3 课题研究难点  16-18
  1.4 本文研究内容  18-19
  1.5 本章小结  19-20
2 偏瘫辅助行走下肢康复外骨骼结构改进设计  20-28
  2.1 外骨骼结构设计要点  20-21
  2.2 外骨骼总体结构改进设计  21-24
  2.3 外骨骼驱动机构选型计算  24-27
  2.4 本章小结  27-28
3 偏瘫辅助行走下肢康复外骨骼控制策略研究  28-42
  3.1 偏瘫患者步行训练康复方法研究  28-30
  3.2 外骨骼控制策略研究  30-36
    3.2.1 外骨骼被动控制策略  30-31
    3.2.2 外骨骼自主控制策略  31-36
  3.3 步态捕捉与PVT步态轨迹生成  36-41
    3.3.1 步态捕捉与获取  36-39
    3.3.2 PVT步态轨迹生成  39-41
  3.4 本章小结  41-42
4 偏瘫辅助行走下肢康复外骨骼控制系统开发  42-65
  4.1 控制系统整体结构框架  42-43
  4.2 控制系统硬件设计  43-52
    4.2.1 控制系统硬件设计原则  43-44
    4.2.2 控制系统的硬件配置  44-46
    4.2.3 伺服系统结构与参数设置  46-48
    4.2.4 电源和滤波电路设计  48-50
    4.2.5 系统通讯方法研究  50-52
  4.3 控制系统软件设计  52-64
    4.3.1 控制系统软件设计原则  53-54
    4.3.2 下位机控制程序实现  54-59
    4.3.3 上位机用户界面实现  59-64
  4.4 本章小结  64-65
5 偏瘫辅助行走下肢康复外骨骼系统实验研究  65-74
  5.1 系统基本功能性实验  65-67
    5.1.1 实验过程与步骤  65
    5.1.2 实验结果与分析  65-67
  5.2 系统正常人步行实验  67-73
    5.2.1 被动控制实验  67-69
    5.2.2 自主控制实验  69-73
  5.3 本章小结  73-74
6 总结与展望  74-76
  6.1 总结  74-75
  6.2 展望  75-76
参考文献  76-79

偏瘫患者辅助行走下肢康复外骨骼系统开发研究

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