膝关节外骨骼的设计与控制


膝关节外骨骼的设计与控制

一、课题背景

随着人口老龄化的加剧以及康复医疗需求的增长,膝关节外骨骼作为一种辅助人体运动、增强关节力量和改善步态的设备,具有重要的研究意义和应用价值。本课题旨在设计一种高效、可靠且具有良好人机交互性能的膝关节外骨骼,并研究其控制策略,以实现对膝关节运动的有效辅助和康复训练功能。


二、研究内容

一、膝关节外骨骼机械结构设计: 根据人体膝关节的生物力学特性,设计外骨骼的整体机械结构,包括关节连接方式、传动机构、支撑框架等。选择合适的材料,确保外骨骼具有足够的强度、刚度和轻量化特性。进行结构优化设计,提高外骨骼的穿戴舒适性和运动灵活性。

二、外骨骼驱动系统设计: 调研不同类型的驱动元件,如电机、液压或气动元件等,选择适合膝关节外骨骼的驱动方式。设计驱动系统的控制电路,实现对驱动元件的精确控制。考虑动力源的选择和布置,确保外骨骼具有足够的续航能力。

三、传感器系统设计与数据采集: 选择合适的传感器,如角度传感器、力传感器、加速度传感器等,用于实时监测膝关节的运动状态和外部作用力。设计传感器的安装位置和信号采集电路,确保传感器数据的准确性和可靠性。开发数据采集与处理软件,实现对传感器数据的实时采集、存储和分析。

四、外骨骼控制策略研究与实现: 基于人体膝关节的运动规律和外骨骼的设计特点,研究合适的控制策略,如基于力反馈的控制、基于轨迹跟踪的控制等。


三、项目预期成果

一、外骨骼应能够适应不同人体尺寸,具有良好的可调节性,调节范围能够覆盖大多数成年人的膝关节尺寸。关节连接部位应具有足够的自由度,能够准确模拟人体膝关节的运动,最大程度减少人机运动不协调现象。

二、驱动系统应能够提供足够的扭矩和功率,能够满足膝关节在步态中不同姿势的需求。

三、传感器具有高精度和高可靠性,确保能够实时、准确地获取膝关节的运动信息。

四、设计的控制策略应能够根据不同的任务模式(如步行辅助、康复训练等)自动切换控制模式,适应不同的应用场景。

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