發(fā)布時(shí)間：2019-10-22 07:43

【摘要】：下肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)是針對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者廣泛采用的一種康復(fù)訓(xùn)練方式。由于傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練方式的局限性,使得近些年來(lái)下肢康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)和使用日益增多。隨著我國(guó)人口老齡化進(jìn)程不斷的加快,運(yùn)動(dòng)功能障礙方面的疾病發(fā)病率不斷的提高,使得在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí),社會(huì)對(duì)康復(fù)產(chǎn)品的需求也越來(lái)越大。但是,由于我國(guó)在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域沒(méi)有成熟的產(chǎn)品,國(guó)外產(chǎn)品普遍占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。因此,研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的下肢康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品具有深遠(yuǎn)的意義。在下肢康復(fù)訓(xùn)練的研究中,將機(jī)器人技術(shù)引入其中,研制自動(dòng)化的康復(fù)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工減重步行訓(xùn)練是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)正是該方面的自動(dòng)化裝備,它能夠采用不同的控制策略,帶動(dòng)患者沿著一定的康復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng),增加了訓(xùn)練的時(shí)間,提高了康復(fù)效果,減少了醫(yī)生的工作強(qiáng)度,最終使患者的下肢運(yùn)動(dòng)功能得到恢復(fù)。本文旨在以往研究的基礎(chǔ)上,對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模,并對(duì)可供患者主動(dòng)參與的康復(fù)訓(xùn)練控制方法進(jìn)行分析和研究,同時(shí)考慮到實(shí)際的控制系統(tǒng)中很難建立準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型,為確保在動(dòng)力學(xué)模型不確定的情況下保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并實(shí)現(xiàn)期望關(guān)節(jié)軌跡的自適應(yīng)調(diào)整和跟蹤性能,設(shè)計(jì)出基于魯棒PID控制器的步態(tài)軌跡自適應(yīng)主動(dòng)控制方法。隨后,在基于魯棒PID控制器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出Youla-Kucera參數(shù)化自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制器增強(qiáng)患者在康復(fù)訓(xùn)練后期其肌肉力量和實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)軌跡的完全主動(dòng)訓(xùn)練。在跑步機(jī)速度協(xié)調(diào)控制方面,依據(jù)患者與跑步機(jī)之間的相互作用力設(shè)計(jì)出基于加速度抑制的跑步機(jī)速度跟隨協(xié)調(diào)控制器,實(shí)現(xiàn)了跑步機(jī)速度依據(jù)患者的運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能,確保了患者康復(fù)訓(xùn)練的安全,將有助于提高患者康復(fù)訓(xùn)練的效果。本論文第一章簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外下肢康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r,并對(duì)應(yīng)用于下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制器和控制策略進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹和分析,最后說(shuō)明了本論文的主要研究?jī)?nèi)容。第二章對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,在機(jī)器主動(dòng)訓(xùn)練模式下,采用拉格朗日分析方法建立人機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型;在患者主動(dòng)訓(xùn)練模式下,采用牛頓-歐拉方法建立人機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型并對(duì)所建立的兩組模型進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。第三章主要介紹了逆系統(tǒng)解耦方法,并將這種方法應(yīng)用到了所研究的模型中,簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)。隨著患者主動(dòng)參與訓(xùn)練意識(shí)的不斷增強(qiáng),考慮到人機(jī)交互作用,本章在基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型精確已知的情況下進(jìn)行了阻抗控制器的設(shè)計(jì)。同時(shí),為了在線提取患者的運(yùn)動(dòng)意圖,實(shí)現(xiàn)患者期望步態(tài)軌跡的在線調(diào)整,本章在阻抗控制的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出步態(tài)參考軌跡自適應(yīng)協(xié)調(diào)算法并對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。第四章主要介紹了在實(shí)際的系統(tǒng)中由于系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型存在不確定性及外界環(huán)境存在干擾等因素,很難建立系統(tǒng)準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型。因此,在控制器的設(shè)計(jì)中考慮這些不確定因素而設(shè)計(jì)基于魯棒PID控制器的步態(tài)軌跡自適應(yīng)主動(dòng)控制方法使系統(tǒng)具有很好的魯棒性和關(guān)節(jié)軌跡的良好跟蹤性能,控制實(shí)現(xiàn)了期望關(guān)節(jié)軌跡的自適應(yīng)調(diào)整,并利用線性矩陣不等式的理論對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在康復(fù)訓(xùn)練后期,考慮到患者的運(yùn)動(dòng)功能逐步恢復(fù),患者處于一種完全主動(dòng)的訓(xùn)練模式,本章在魯棒PID控制器的基礎(chǔ)上采用Youla-Kucera參數(shù)化方法設(shè)計(jì)出一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制器。本章對(duì)所設(shè)計(jì)的基于魯棒PID控制器的步態(tài)參考軌跡自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法及Youla-Kucera參數(shù)化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。第五章,基于訓(xùn)練者與跑步機(jī)之間的相互作用力設(shè)計(jì)出跑步機(jī)速度跟隨協(xié)調(diào)控制器,使得跑步機(jī)的速度可以依據(jù)患者的運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了人機(jī)系統(tǒng)與跑步機(jī)的協(xié)調(diào)控制。同時(shí),在控制器中增加了加速度抑制模塊,有效地抑制了跑步機(jī)的加速度,避免了因加速度過(guò)大對(duì)患者肌肉造成的可能二次傷害。最后,對(duì)設(shè)計(jì)出的跑步機(jī)速度跟隨協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。第六章對(duì)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了介紹,并在既有控制系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了控制軟件的設(shè)計(jì),同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)出的控制器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。硬件方面主要包括控制系統(tǒng)的硬件組成介紹、控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)介紹等;軟件方面主要包括系統(tǒng)軟件的組成介紹、運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集分析處理、控制算法程序、協(xié)調(diào)控制程序及人機(jī)界面設(shè)計(jì)等。重點(diǎn)在樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了位置控制實(shí)驗(yàn)和阻抗控制實(shí)驗(yàn),并對(duì)設(shè)計(jì)的基于魯棒PID控制器的步態(tài)軌跡自適應(yīng)主動(dòng)控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)的控制器用于主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的可行性。第七章,對(duì)本博士論文所作的研究進(jìn)行總結(jié)并提出了今后研究的方向。本博士論文通過(guò)對(duì)下肢外骨骼機(jī)械腿關(guān)鍵技術(shù)的研究,有助于為發(fā)展面向應(yīng)用的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)準(zhǔn)備關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ),具有非常積極的學(xué)術(shù)意義和重要的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TP242
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本文編號(hào)：2551542