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上肢线驱康复外骨骼的轻量化设计与研究

上肢线驱康复外骨骼的轻量化设计与研究

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作者：温嘉懿盐城工学院

学位级别：硕士

在神经系统疾病导致的偏瘫症状背景下,康复外骨骼的使用可以降低治疗成本,减轻康复师的工作压力,然而现有康复外骨骼存在体积大,重量大等缺点,不适宜在家庭环境下进行康复训练,无法满足患者出院后居家康复治疗的需求,本文通过开发轻量... 详细信息

在神经系统疾病导致的偏瘫症状背景下,康复外骨骼的使用可以降低治疗成本,减轻康复师的工作压力,然而现有康复外骨骼存在体积大,重量大等缺点,不适宜在家庭环境下进行康复训练,无法满足患者出院后居家康复治疗的需求,本文通过开发轻量化上肢康复外骨骼技术,旨在为居家康复的偏瘫患者提供有效的支持手段。研究聚焦于外骨骼技术的创新应用,尤其关注上肢康复的轻量化设计、动力学建模、控制算法及传感器技术,以期达到便捷且有效的康复效果。核心创新之一是采用可以检测鲍登线内部摩擦的闭环线驱鲍登线技术,实现末端无传感器的精确力矩控制,这一设计在确保外骨骼轻量化的同时,显著减少了柔性外骨骼在输出力矩方面的误差。本研究的关键工作包括:(1)针对肩关节和肘关节的解剖结构及其运动特性,设计了一种基于鲍登线传动的轻量化结构,采用摆线轴套针轮减速器,降低了外骨骼的整体惯量,同时满足大扭矩和高反驱能力的需求。(2)通过牛顿-欧拉迭代法进行动力学建模,解析外骨骼在不同状态下的力学响应。为解决鲍登线传动过程中的动态摩擦阻力,提出了一种基于光强衰减原理和库伦摩擦定律的动态摩擦补偿器,实现末端无传感器的精确力矩控制,减小了末端执行器的体积与重量。构建了一套可重构的多模态控制器,实现外骨骼在改变物理状态后仍能精确控制,提高了外骨骼的适应性。(3)基于光强衰减原理,研发了一种抗干扰能力强的光波导肌肉力传感器,结合可变刚度外骨骼绑缚系统,实现了一套无需黏贴电极、定制化的肌肉力检测方案,能够精确捕捉患者行为意图。通过以上研究,本文研制的外骨骼装置本体重量仅为1.91kg,降低了穿戴者在使用过程中的肌肉激活度,穿戴后平均肌肉激活度降低了17%,最大平均肌肉激活度降低了35.15%。这一成果为居家医疗康复领域的外骨骼应用提供了技术支持,还可以广泛应用于工业生产、搬运物流等其他领域。

关键词：轻量化外骨骼鲍登线摩擦补偿光波导变刚度

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