下肢穿戴式助行器结构设计与仿真分析

设计了一款下肢穿戴式助行器,主要作用是辅助脑卒中、偏瘫等有下肢运动障碍的患者进行日常行走活动。首先,在对下肢运动机制、关节结构以及自由度组成分析的基础上,建立了下肢穿戴式助行器的三维结构模型;应用三维红外动作捕捉系统采集正常人行走步态数据,拟合出对应关节角度曲线;建立助行器简化D-H模型,对助行器进行了运动学建模分析;将动作捕捉实验(简称动捕实验)采集的步态数据作为仿真驱动,对助行器进行了运动学仿真验证。结果表明,仿真得到的关节角度变化曲线与实验采集到的角度曲线基本一致,角速度变化曲线与踝关节质心位置变化曲线符合正常人体行走规律,验证了下肢穿戴式助行器的结构设计的合理性。

下肢穿戴式助行器步态规划与稳定性分析

偏瘫患者由于大脑损伤导致一侧下肢运动障碍,无法自主进行日常行走,下肢穿戴式助行器可以辅助其获得行走的能力;但是,想要和普通人一样走出正常的步态,需要对下肢穿戴式助行器进行步态规划,步态规划是人机耦合行走并保持稳定性的基础和关键。首先,分析人体下肢各关节运动的情况,对下肢穿戴式助行器进行整体机构设计。其次,进行了步态规划,将助行器腿部各关节之间的部分看成均质刚性连杆,提取完整步行周期中各关节的9个特殊时间点,分析了各个时间点关节的坐标与角度;结合Matlab软件中的三次样条插值的方法,仿真出关节的运动轨迹。最后,对步态规划数据进行分析,得到重心投影点坐标,拟合出重心投影点的运动轨迹,并对该轨迹是否始终落在支撑区域进行了分析。结果证明,重心投影点始终处于支撑域内,这说明该步态规划符合稳定性要求。