一种新型自适应康复外骨骼机构及重力平衡优化

针对上肢运动功能障碍患者,康复外骨骼机构在肩、肘关节康复训练中的应用越来越多,由于盂肱关节的浮动属性及难以避免的穿戴误差,人机对应关节的轴线难以始终保持对齐,致使人-机连接界面处产生较大的附加力/矩,严重影响训练效果及穿戴舒适度。为消除产生的附加力/矩,提出一种4R3P2R型自适应上肢康复外骨骼机构,并对其进行位置逆解及重力平衡优化。该型上肢康复外骨骼在肩、肘关节处采用PPRRRP和PRRR构型,支链PPRRRP与肩关节构成3-DOF恰约束人机闭链。同理,支链PRRR与肘关节构成平面2-DOF的恰约束人机闭链。在该外骨骼构型的基础上,建立人机闭链运动学模型,求其位置逆解,推导出任意位姿下外骨骼重力势能与上肢各关节转角间的函数关系。通过构型分析,可知外骨骼机构的第二主动关节主要完成肩关节前屈/后伸的康复训练,该关节受重力矩影响最为显著,因此,需对该主动关节进行重力平衡。在给定的上肢运动空间内,在外骨骼中添加零初长弹簧单元,以总势能波动最小为目标,建立重力平衡模型,对弹簧参数进行优化分析。进一步,对重力平衡模型进行数值仿真,结果表明零初长弹簧单元对外骨骼机构具有较好的平衡效果。     

髋关节康复训练器控制系统设计与研究

设计下肢膝关节以上截肢患者髋关节康复训练器的控制系统。根据膝关节以上截肢患者的运动特点,使用AVR单片机控制磁粉制动器,产生康复者所需要的力矩,锻炼康复者的膝关节以上肌肉。计算截肢患者在康复训练中时间和能量消耗,对下肢康复训练建立一种新的训练模式。利用运算速率高、抗干扰功能强大和便于控制的AVR单片机,通过C语言编程,结合下肢残肢康复训练实际临床理论,达到自动控制理论和下肢康复训练之间的完美结合。该康复训练器运用自动控制原理可以成功的实现对髋关节部分肌肉的锻炼,精准的控制下肢康复训练的载荷,实现对髋关节肌肉康复训练系统的训练方案的进一步探索。     

兼具柔顺与安全的助行机器人运动控制研究

针对助行机器人的柔顺性和安全性问题,基于多传感器系统融合技术,本文提出了一种能够兼具柔顺与安全的助行机器人运动控制方法.首先介绍了助行机器人的机械结构、控制原理以及多传感器系统,然后根据机器人多传感器系统,设计出各传感器相对应的用户意图估计方法,提出了一种基于多传感器融合的助行机器人柔顺运动控制算法.分析用户可能发生的跌倒模式,使用基于卡尔曼滤波（Kalman filter,KF）的序贯概率比检验（Sequential probability ratio test,SPRT）方法和决策函数来判断用户是否会跌倒,并判断处于哪种跌倒模式.最后,通过助行机器人柔顺运动控制实验和用户跌倒检测实验验证了算法的有效性.     

重障者智能辅助洗浴器具控制系统设计

在充分分析国内外相关产品的基础上,研制出一种带有水温控制、水疗功能的重障者智能辅助洗浴器控制系统。该系统采用TI的DSP2812作为核心控制器,通过分布在浴缸周围的传感器,能够即时得到洗浴环境的参数信息,并有报警系统和漏电保护功能。温度控制采用了传统的PI控制算法,上位机监控软件用组态王编写。此系统具有成本低、模块化设计、易于维护、安全性高等特点,在康复领域具有较好的应用前景。     

2-UPS/RR并联髋关节助力机构及运动性能

为了帮助髋关节受损的患者完成行走运动,提出了一种适用于髋关节助力的2-UPS/RR并联机构.该机构不仅可以满足髋关节助力所需要的前屈/后伸、内收/外展、内旋/外旋运动,还可以保证机构的旋转中心与不同患者的髋关节旋转中心重合.计算了自由度,并应用解析法给出了机构的位置反解,建立了速度雅克比矩阵,通过对驱动参数的限定,求解了机构的工作空间.最后,基于雅克比矩阵,对比分析了分别驱动移动副和虎克副2根旋转轴时机构的运动学性能.结果表明:在规定的工作空间内驱动移动副时,机构具有良好的可操作性、运动灵活性和刚度特性.相比当前的髋关节助力机构,其结构简单,有效避免了支链间不必要的干涉,减小了整个机构的占用体积.设计的该机构适合髋关节助力训练.     

基于3-UPS/RRR的并联踝关节康复机构及其性能分析

基于踝关节的生理解剖结构和运动特性分析,提出了一种适用于踝关节康复的3自由度3-UPS/RRR并联机构.该机构采用三个主动支链倾斜布置避开了机构的奇异位形,能满足踝关节康复运动需要,同时约束支链和动平台的设计使机构的转动中心与患者的踝关节转动中心重合.应用解析法得到了机构的位置反解,建立了速度雅可比矩阵和静力雅可比矩阵,求解了机构的工作空间.基于雅可比矩阵,仿真分析了机构的运动学性能和静力学性能.结果表明在规定的工作空间内机构具有良好的可操作性、运动灵活性、刚度特性和力矩传递性能.最后运用牛顿-欧拉法建立了机构的逆动力学方程,得到了驱动力、约束力与运动参数的关系,并给出了仿真实例.     

基于小波包能量谱的电能质量短期扰动检测和分类方法

针对电能质量扰动问题，通过介绍几种基于变换理论的电能质量扰动检测和分类方法，对比分析各种方法之利弊，提出了基于小波包能量谱的电能质量短期扰动检测与分类新方法。仿真结果表明，该方法取得了明显优于其他检测和分类方法的效果。     

PPRRRP和RRRPU肩关节康复外骨骼机构运动性能的分析比较

基于外骨骼机构的构型综合和优选原则,提出PPRRRP和RRRPU两种外骨骼构型.在优选的构型中,通过在人机连接处引入被动关节,使外骨骼机构和人体上臂形成的人机闭链转化为3-DOF（自由度）运动学恰约束系统,实现人机运动学相容.从人机闭链整体的角度,分别建立PPRRRP和RRRPU人机闭链运动学模型,通过对被动关节的合理分解及运动学特征分析,推导其运动学约束方程,并分别求得两闭链的速度雅可比矩阵,该方法降低了人机闭链运动学分析的复杂性.通过对速度雅可比矩阵的数值仿真,在冠状面、矢状面和水平面对2种外骨骼构型进行条件数倒数、可操作度椭球以及灵巧操作速度的分析比较.结果表明：在上述3个面内,PPRRRP构型的运动灵活度、运动各向同性和速度操作灵巧性的运动学性能要优于RRRPU.在此基础上,研制了PPRRRP构型的上肢康复外骨骼样机.     

滑轨式移乘洗浴装置内升降机构的设计及分析

随着我国逐步进入老龄化社会,以及每年交通事故等原因,重障者和老年人越来越多,同时他们也需要越来越多的关怀。随着社会的不断发展,重度残障人士的洗浴问题的解决显得尤为迫切。洗浴对于重障者来说是一个很大的难题,但重障者还必须要洗浴。滑轨式移乘洗浴装置是为了解决重障者洗浴困难而设计的一种康复辅助洗浴器具。针对洗浴槽内部空间狭小,洗浴时有水,易导电,而且升降行程大等一系列问题,提出了一种设计解决方案,运用solidworks建立了升降机构的3D模型,并且对其进行了应力分析。