下肢外骨骼行走康复机器人研究

外骨骼机器人(Exoskeleton Robot)是一种可穿戴在操作者身体外部的一种机械装置,提供保护、身体支撑和运动等功能。 本文首先学习了脊髓损伤的医学理论以及截瘫产生的原因,明确下肢外骨骼机器人的任务和目标。利用下肢外骨骼行走康复机器人辅助患者摆脱轮椅重新站立并行走,不仅可以帮助截瘫患者在生活上更加自立,而且可以恢复患者部分肌肉功能,降低脊髓损伤后并发症发生的概率。在研究过程中,分析人体下肢的生理结构和运动学,脊髓损伤后截瘫患者的生理特征,包括截瘫后下肢的表现,异常运动模式与运动功能恢复形式。在此基础上,分析人体下肢的结构和运动学,结合人机系统的设计要求,将机器人的设计方案制定为辅助人体下肢髋、膝、踝三个关节同时参与运动的外骨骼式机器人。 按照这一方案,设计了下肢行走康复机器人的机械结构,并研制了样机。该机器人是一款有驱动的下肢外骨骼式机器人,包括了外骨骼本体和拐杖模块。外骨骼机器人单下肢具有三个自由度,分别是髋关节的屈曲/伸展;膝关节的屈曲/伸展;踝关节的跖屈/背屈,利用较少的自由度来实现行走,降低了机构的复杂程度,提高了装置的效率。髋关节和膝关节的运动通过驱动器实现,该驱动器是在滚珠丝杠副基础之上加了两对受压弹簧,这可以有效地实现运动的缓冲和模拟关节运动时肌肉的动作方式;踝关节自由度通过一副对拉弹簧实现,可以有效地减少地面的对外骨骼本体的冲击能量。拐杖模块是外骨骼机器人的控制开关,同时也可以平衡患者行走时的重心,拐杖模块与下肢外骨骼本体机械上独立并与外骨骼本体电连接。外骨骼机器人通过采集拐杖与地面的接触信息来控制膝关节和髋关节的屈伸运动,从而帮助患者实现跨步行走。针对研制的外骨骼机器人模型出现的问题,为后续研究者提出了改进建议。