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浙江大学学报(工学版)  2021, Vol. 55 Issue (5): 823-830    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.003
机械工程     
床式步态康复训练系统机构设计
李伟达(),王柱(),张虹淼,李娟,顾洪
苏州大学 机电工程学院 江苏省先进机器人技术重点实验室,江苏 苏州 215021
Mechanical design of bed-type gait rehabilitation training system
Wei-da LI(),Zhu WANG(),Hong-miao ZHANG,Juan LI,Hong GU
Jiangsu Provincial Key Laboratory of Advanced Robotics, School of Mechanical and Electrical Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China
 全文: PDF(1785 KB)   HTML
摘要:

针对现有床式步态康复训练机器人使用不便、成本高昂的问题,提出模块化的床式步态康复训练系统. 包括倾角可调的床体模块、腿部运动辅助机构模块和足底支撑机构模块,模块化设计可以提高其使用方便性,降低制造和使用成本. 为了实现正常的行走步态,腿部运动辅助机构模块采用凸轮-连杆机构模拟大腿和小腿的运动. 建立腿部运动辅助机构的人机耦合模型,并对其进行运动学分析,得到机构与人体下肢的运动学关系,将其作为参数优化和结构设计的基础. 利用MATLAB,以机构对患者个体差异的适应性为目标,对模型中的各参数进行优化,得到一组机构参数的最优解. 实验结果表明,不同身高的实验者髋关节测量角度与标准角度的最大误差不超过5.2°,膝关节最大误差不超过6.7°,验证了机构对实验者个体差异的适应性和使用此系统进行康复训练的可行性.

关键词: 康复机器人步态训练运动学分析参数优化模块化设计    
Abstract:

A modular bed-type gait rehabilitation training system was proposed aiming at the problem of inconvenience and high cost of existing rehabilitation training robot. The system consists of a bed with adjustable tilt angle, two leg motion auxiliary mechanisms and a foot support mechanism. The modular design can make it easier to use. Cam-connecting rod mechanism was used to simulate the movements of thigh and calf in order to generate normal walking gait. A human-machine coupling model was built and the kinematic analysis was carried out. The kinematic relationship between the mechanism and human lower limbs was obtained as the basis of parameter optimization and structural design. MATLAB was used to optimize the parameters of the model and get their optimal values, aiming at increasing adaptability of the mechanism to the patients with different body types. Experimental results showed that the maximum error of hip angle between the measured result and the standard result was less than 5.2°, the maximum error of knee angle was less than 6.7°, which demonstrated that the presented mechanism can adapt personal difference and it’s feasible to carry out rehabilitation training with this system.

Key words: rehabilitation robot    gait training    kinematic analysis    optimization of parameters    modular design
收稿日期: 2020-05-11 出版日期: 2021-06-10
CLC:  TH 112.2  
基金资助: 国家重点研发计划资助项目(2018YFC2001304)
作者简介: 李伟达(1979—),男,副教授,博士,从事康复机器人、机电一体化装备、微小型机器人和非线性动力学研究. orcid.org/0000-0002-9630-5241. E-mail: hit_liweida@163.com
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李伟达
王柱
张虹淼
李娟
顾洪

引用本文:

李伟达,王柱,张虹淼,李娟,顾洪. 床式步态康复训练系统机构设计[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(5): 823-830.

Wei-da LI,Zhu WANG,Hong-miao ZHANG,Juan LI,Hong GU. Mechanical design of bed-type gait rehabilitation training system. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2021, 55(5): 823-830.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.003        http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2021/V55/I5/823

图 1  床式步态康复训练系统
图 2  腿部运动辅助机构的人机耦合模型
机构参数 给定初值/mm 机构参数 给定初值/mm
L1 190.7 L7 80.0
L2 396.3 L8 95.0
L5 250.0 h 280.0
L6 100.0 ? ?
表 1  康复训练机构参数初值
图 3  髋、膝关节角度曲线
图 4  凸轮曲率半径
图 5  康复训练机构的凸轮曲线设计
身高占比/% 男性身高/mm 女性身高/mm
1 ≤1543 ≤1449
10 ≤1604 ≤1503
50 ≤1678 ≤1601
90 ≤1750 ≤1640
99 ≤1814 ≤1697
表 2  18~60岁成年人身高占比[18]
图 6  初始条件下髋关节角度
图 7  初始条件下膝关节角度
参数 初值/mm 优化结果/mm
L1 190.7 254.2
L2 396.3 354.8
L5 250.0 240.5
L6 100.0 99.8
L7 80.0 88.7
L8 95.0 98.5
h 280.0 299.9
表 3  康复训练机构参数优化结果
图 8  参数优化后髋关节角度
图 9  参数优化后膝关节角度
图 10  参数优化后髋关节角度残差
图 11  参数优化后膝关节角度残差
图 12  关节角度残差平方和随优化次数的变化曲线
图 13  床式步态康复训练系统实物
实验者 身高/cm 体重/kg
实验者a 178 71
实验者b 173 68
实验者c 167 61
实验者d 162 55
表 4  实验者身高和体重
图 14  实验者髋关节角度对比
图 15  实验者髋关节角度误差
图 16  实验者膝关节角度对比
图 17  实验者膝关节角度误差
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