智能康复训练减重系统的研究

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随着我国人口老龄化进程的加快,老年人和下肢运动有障碍的患者越来越多。由于患者下肢难以支撑身体重量,因此需要进行减重步行康复训练,以帮助患者改善步态,恢复基本步行能力。同时,随着经济的快速发展和人民生活水平的提高,对下肢康复训练设备的需求也逐渐增加。针对我国在康复医疗设备上起步较晚、智能化程度不高,在很大程度上难以满足人们的需求这一问题,本文面向老年人、下肢运动功能障碍患者等设计了一款智能康复训练减重系统,其主要研究内容如下:首先,借鉴了目前国内外现有的下肢康复训练减重系统,制定出总体方案设计;确定了减重系统的驱动方式;对各功能模块机构的构件进行了设计及三维建模,包括滑轮组、齿轮组、牵引小车、滚筒等;对减重系统进行力学分析,得到患者在恢复的不同阶段电机所需提供减重力的大小。其次,建立了减重系统各机构模块的数学模型,得到了减重系统的动力学方程;分别采用PID和模糊PID力闭环控制方法来调整电机运动,减小减重误差;利用仿真软件对控制系统进行了仿真,验证了控制系统的可行性。仿真结果表明,模糊PID控制模式响应速度快、精度高,能够满足患者在步行康复训练不同阶段的减重需求。再次,运用有限元仿真软件对康复训练支架、牵引小车进行静力学分析,得到位移云图和应力云图,通过对结果进行分析,验证了设计的可行性;然后分别进行了有限元收敛性的验证,仿真结果显示继续细化网格,对康复训练支架、牵引小车的等效应力影响越来越小。最后,在满足结构的强度和刚度的前提下,运用拓扑优化仿真软件对关键零件进行拓扑优化,可以有效地减少材料的使用,降低整体的质量,节约成本。
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