气囊式减重步行康复训练系统结构设计与装置研究

作     者：赵俊 

作者单位：上海理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邹任玲

授予年度：2015年

学科分类：1002[医学-临床医学] 100215[医学-康复医学与理疗学] 10[医学] 

主      题：气囊 减重步行训练 机械结构设计 有限元分析 数值分析 

摘      要：减重下肢步行训练是脊髓损伤、脑卒中、脑外伤等中枢神经系统疾病的一种有效的运动康复手段,而气囊式减重是一种操作简单、舒适度高的减重模式,在减重步行康复领域,具有很高的应用价值。本文在科委基金的资助下,设计一种能在气压减重状态下,进行下肢功能训练和评估的多功能康复训练评定系统。机械结构设计通过理论计算、软件模拟与分析等对结构的设计进行验证。在此基础上,完成了样机的制作和初步的临床应用。本文的主要内容有:第一章简要介绍了本课题的背景以及研究意义,总结了国内外现有的下肢康复训练机器人的研究现状以及下肢康复训练机器人步态训练方法。第二章主要是对气囊式减重步行康复训练系统的机械结构进行概述,同时阐述各结构部分的定义以及作用等。第三章是在患者训练过程中,建立人体训练运动的数学直角坐标系,利用Lagra nge方法分别求出运动过程中患者踝关节力矩、膝关节力矩和髋关节力矩;对双气囊在充气过程中建立时间、气压等参数的数学模型;阐述双气囊减重原理。第四章是建立双气囊内部气体流动模型,通过Fluent软件对囊体内部的气体压力、空气流速等参数进行数值模拟。第五章主要是建立患者在训练过程中与步行器接触时的力学模型,利用有限元方法分析步行器的结构设计与材料选择的合理性。第六章是在装置样机初步设计与加工完成后进行的初步实验,总结归纳出训练过程中减重比、气囊压力、剩余体重、时间等参数之间的关系。最后,第七章对本硕士论文的研究内容与创新点进行总结,同时提出展望。完成的主要工作有:提出并实现了双气囊减重结构,同时对气囊、步行器等结构建立了仿真模型,仿真结果比对理论分析结果。经实验应用发现,本研究设计的气囊减重装置可以达到所需的最大减重比与训练运动的可靠性;提出并实现了对人体训练过程的运动学和动力学建模及数值仿真,建立训练过程中踝关节、膝关节、髋关节力矩等运动学参数的计算方法。