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个人卫生护理机器人辅助站立系统设计

作　者: 付东辽
导　师: 韩建海
学　校: 河南科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 辅助站立卫生护理机器人减重运动控制实验调试
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 18次
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内容摘要

随着国民生活水平不断提高以及医疗公共卫生事业快速发展，我国已经步入老龄化社会，老年人口在总人口中所占的比例日渐升高。而高龄老年人的自我照料能力差，主要由家庭护理，护理费用高，劳动强度大，护理条件急需改善。一种卫生护理机器人的研制对于这些问题的解决具有正面积极的作用，这对于提高老年人和残疾人的生活质量，保证我国社会稳定发展具有重要意义。然而，高龄老年人和残疾人在洗浴过程中并不能像正常人一样轻松站立或坐下，而且由于年龄的增长或者是意外伤害，他们的下肢各关节可能不足以去支撑他们的身体自重。同时，个人卫生护理机器人的空间有限，且搓澡装置需要与座椅相连，还要保证人体在站立和坐姿状态下都能为其搓澡。这就需要一种特殊的辅助站立装置。为此，本文设计了一种可适应人体体型差异的、可减轻人体自重的、满足卫生护理机器人要求的可调式起坐辅助站立系统。首先，论文对人体站立运动过程进行了分析和对卫生护理机器人总体设计方案做了介绍，通过分析卫生护理机器人总体方案的要求，设计了一种两自由度协调运动向后站立、具有减重和自动调节功能的折叠式辅助站立座椅，并进行了运动学与动力学仿真。其次，通过对现行控制系统的比较分析，结合辅助站立座椅实际，对控制系统进行了设计。然后，依据控制系统总体要求，对系统硬件进行了选型购买，并加工制作了一台实验样机。最后，通过编写运动控制程序，对实验样机进行了可行性实验调试，并对实验数据进行了初步分析，为样机的进一步优化提供了依据。结果表明本辅助站立系统的设计不但满足了卫生护理机器人的总体设计要求，更有效地解决了高龄老年人和下肢行动障碍者在洗浴过程中站立困难和难以长久站立的问题，提高了他们的生活自理能力和生活质量。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-8
第1章绪论  8-16
  1.1 课题来源  8
  1.2 课题研究背景、目的和意义  8-9
  1.3 国内外研究进展及分析  9-14
    1.3.1 国内外研究进展  9-12
    1.3.2 国内研究进展  12-13
    1.3.3 国内外研究特点  13-14
  1.4 论文主要内容  14-15
  1.5 小结  15-16
第2章卫生护理机器人整体方案设计及人体站立过程分析  16-28
  2.1 引言  16
  2.2 卫生护理机器人总体功能要求  16
  2.3 卫生护理机器人整体方案  16
  2.4 人体站立过程运动分析  16-21
    2.4.1 人体站立数学模型  17-20
    2.4.2 人体站立过程分析  20-21
  2.5 人体站立过程运动学仿真  21-27
    2.5.1 建立人体三维模型  21-22
    2.5.2 基于 COSMOSMotion 的人体站立过程运动学仿真  22-27
  2.6 本章小结  27-28
第3章辅助站立总体方案与机械结构设计  28-41
  3.1 引言  28
  3.2 人机工程学基础  28-32
    3.2.1 老年人体尺寸分析  28-32
    3.2.2 人体尺寸数据应用原则  32
  3.3 辅助站立系统总体设计方案  32-34
    3.3.1 系统总体要求  32-33
    3.3.2 驱动方式  33
    3.3.3 总体方案设计  33-34
  3.4 机械结构设计  34-36
    3.4.1 设计要求  34
    3.4.2 自由度确定  34
    3.4.3 总体结构组成及工作原理  34-36
  3.5 基于人机工程学的局部结构设计细则  36-40
    3.5.1 适应人体体型差异的自动调节单元设计  36-38
    3.5.2 自动减重单元设计  38-40
  3.6 本章小结  40-41
第4章辅助站立系统运动学与动力学仿真  41-49
  4.1 引言  41
  4.2 三维模型的建立  41-43
    4.2.1 辅助站立机构三维模型  41-42
    4.2.2 人机一体化三维模型  42-43
  4.3 运动学与动力学仿真  43-48
    4.3.1 仿真条件设定  43-44
    4.3.2 运动学仿真  44-47
    4.3.3 动力学仿真  47-48
  4.4 本章小结  48-49
第5章辅助站立控制系统设计  49-73
  5.1 引言  49
  5.2 控制要求  49
  5.3 控制系统总体方案  49-51
  5.4 控制系统硬件选型与实现  51-63
    5.4.1 运动控制器的选型  51-53
    5.4.2 驱动电机的选型计算  53-57
    5.4.3 电动推杆选型  57-58
    5.4.4 称重传感器选型  58-59
    5.4.5 AD 模块选型  59-60
    5.4.6 控制系统硬件实现  60-63
  5.5 控制系统软件设计  63-72
    5.5.1 主程序流程  63-66
    5.5.2 辅助站立功能模块软件设计与实现  66-69
    5.5.3 自动减重模块软件设计与实现  69-72
  5.6 本章小结  72-73
第6章实验样机的调试与实验分析  73-87
  6.1 引言  73
  6.2 辅助站立系统实验样机  73-74
  6.3 实验样机空载调试  74-82
    6.3.1 单自由度调试  74-75
    6.3.2 辅助站立机构调试  75-78
    6.3.3 自动减重机构调试  78-82
  6.4 整机加载实验  82-85
  6.5 减重比例评定实验  85-86
  6.6 本章小结  86-87
第7章总结与展望  87-89
  7.1 课题主要工作  87
  7.2 下一步工作展望  87-89
参考文献  89-93
附录机构设计图  93-95
致谢  95-97
攻读硕士学位期间的研究成果  97

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