基于多构型连续体机构的肩关节外骨骼设计

来源 :上海交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shijincheng520
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外骨骼研究近几十年来蓬勃发展。外骨骼的一般用途主要有两种,一是用于提高穿戴者的生理机能,包括用于士兵装备、重物搬运和医院看护等。二是为神经肌肉损伤患者提供康复治疗。然而在已开发的大多数外骨骼中,大部分设计均采用了类似的设计思路:使用刚性运动连(运动开链或运动闭链)组成外骨骼,通过关节的驱动带动穿戴者。这种方案运用在提高人体生理机能的方面固然有其可取之处,刚性的机构可以在一定程度上保护穿戴者,但是运用在康复医疗上就显得不适宜,系统比较笨重,制作成本昂贵以及穿着不舒适。  针对现有康复用外骨骼机构的设计缺陷,本论文提出用柔性连续体机构设计外骨骼,并详细介绍两种用于肩关节康复医疗的外骨骼系统设计。连续体机构的引入可提高外骨骼系统的穿戴舒适程度。更重要的是,该基于连续体机构的外骨骼可被动变形、自动适应于拥有不同肩宽的穿戴病患,体现了这一设计思路在临床上运用的巨大潜力。  在运动学基本建模和分析的基础上,本论文首先详述了单侧肩关节外骨骼的三种设计概念的驱动分析和方案分析;针对最终选定的最优设计方案进行了机械结构的设计和控制系统的搭建,包括连续体支撑架、驱动单元以及基于xPC构架的实时控制器。  本论文进一步详述了双侧同步式外骨骼的系统设计。该系统为纯机械结构,病患可用运动机能正常的一侧肌体通过外骨骼结构驱动运动机能受损的一侧肌体。系统机械结构,包括手臂套筒、连续体支撑架以及传动单元等,都在本论文中一一详述。  在系统设计完成的基础上,两套外骨骼系统都各自进行了详尽的试验研究。对于单侧肩部外骨骼,混合的连续体支撑物的负载能力得到了很大的提高,并且外骨骼系统的尺寸和重量都得到了很大的减小。对于双侧肩部外骨骼,它是一纯机械机构没有任何驱动机构。这款设计简单而又巧妙,外骨骼两侧的同步性能很好。并且这两种外骨骼结构紧凑方便病人穿戴。
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