【摘要】：隨著老齡化社會的到來,肢體運動障礙患者康復(fù)成為一個亟需解決的問題�？祻�(fù)機器人對于提高康復(fù)效率、保證康復(fù)質(zhì)量、降低工人勞動強度具有重要意義�？祻�(fù)機器人作為輔助治療工具,其運動模式應(yīng)豐富且有效,針對不同病情和不同恢復(fù)期的患者其運動模式應(yīng)具備適應(yīng)性。氣動肌肉作為一種新型氣動驅(qū)動元件,在新型醫(yī)療康復(fù)機器人、柔性外骨骼矯形器等方面有廣闊的用途和應(yīng)用前景。開展氣動肌肉驅(qū)動的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人在多種交互模式下的人機協(xié)作控制理論與技術(shù)研究,為肢體運動障礙人群提供一套柔順、安全、高效的醫(yī)療康復(fù)機器人設(shè)備,對改善患者康復(fù)效果,提高患者康復(fù)的主動性和積極性十分重要。該研究不僅對氣動驅(qū)動材料與控制等前沿領(lǐng)域具有積極的推動作用,而且對康復(fù)與輔助系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實意義。依托國家自然科學(xué)基金項目,本文對氣動肌肉驅(qū)動的多自由度踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人及其人機協(xié)作控制展開深入研究。分析柔性踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人的機構(gòu)模型和運動控制技術(shù),研究基于交互力和柔順模型的人機協(xié)作控制機制,為機器人輔助的患者多模式訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)。進一步考慮患者在康復(fù)過程中的肌體活動和腦神經(jīng)控制回路,研究基于肌電信號、腦電信號等生物信號的機器人智能控制方法。本文從多自由度柔性踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人的機構(gòu)模型和運動控制、人機力交互控制、人-肌-機協(xié)作控制、人-腦-機協(xié)作控制等方面進行了充分的理論分析和方法設(shè)計,完成了多種模式下的人機協(xié)作控制實驗,主要研究工作包括:(1)多自由度柔性踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人的機構(gòu)建模和運動控制研究。針對氣動肌肉通過內(nèi)部氣壓控制其收縮長度和拉力的特性,設(shè)計一種氣動肌肉并聯(lián)驅(qū)動的二自由度柔性踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人,建立其運動學(xué)和動力學(xué)模型并驗證;結(jié)合軟硬件開發(fā)形成康復(fù)機器人系統(tǒng),通過分析氣動肌肉氣壓及其位移、輸出力之間的關(guān)系,研究康復(fù)機器人平臺的高性能運動控制方法;針對氣動肌肉驅(qū)動器在控制過程中存在的建模誤差及人機交互等外部干擾,提出一種自適應(yīng)反演滑�？刂破�,通過估計外部干擾來自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制律,可實現(xiàn)機器人對預(yù)定訓(xùn)練軌跡的高性能準確跟蹤,受試者實驗表明該方法具有很好的魯棒性。(2)基于層級柔順的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人柔性交互控制研究。根據(jù)患者的意圖和主動努力以及與機器人間的交互作用,建立柔性康復(fù)機器人的阻抗控制模型;研究適應(yīng)患者交互作用和運動能力變化的輔助控制策略,充分考慮氣動肌肉驅(qū)動器的柔性特征,提出一種創(chuàng)新的層級柔順控制結(jié)構(gòu),從關(guān)節(jié)空間的驅(qū)動器柔順性和任務(wù)空間的阻抗特性兩個層面,考慮到患者在過去一段時間內(nèi)的貢獻和運動能力,實現(xiàn)自適應(yīng)的柔順控制模式,以完成康復(fù)中重要的按需輔助策略;受試者實驗結(jié)果表明,所提出的層級柔順控制可根據(jù)參與者的狀態(tài)在線調(diào)整其輔助輸出,為患者人機交互協(xié)作訓(xùn)練提供了一種可行的解決方案。(3)表面肌電信號驅(qū)動的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人的人-肌-機協(xié)作控制研究。采用肌肉協(xié)同理論對踝關(guān)節(jié)的運動模式進行特征提取,基于相關(guān)性分析判斷患者意圖,實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)多自由度連續(xù)動作的高效識別;為了在機器人輔助過程中實時感知患者肌肉狀態(tài)以適應(yīng)性調(diào)整訓(xùn)練策略,提取患者疲勞相關(guān)時域、頻域、時頻域和非線性特征,建立肌肉疲勞評估模型;在機器人阻抗模型的基礎(chǔ)上研究人-肌-機協(xié)作控制,利用評估模型輸出的疲勞因子調(diào)節(jié)機器人剛度系數(shù),使患者利用人機交互力柔順調(diào)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練任務(wù);實驗表明基于肌肉活動評估的自適應(yīng)阻抗控制可有效減緩患者的疲勞加深,使患者得到更好的康復(fù)訓(xùn)練。(4)基于患者運動想象腦電信號的人-腦-機協(xié)作控制研究。提出一種新的基于腦網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)的腦電信號通道選擇方法,建立基于多域特征融合的運動想象分類器,實現(xiàn)患者在康復(fù)訓(xùn)練中的腦意圖準確識別;將患者想象結(jié)果映射到踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人的多自由度運動中,創(chuàng)建基于運動想象的腦機接口及協(xié)作控制系統(tǒng),提出一種基于患者腦電反饋的機器人自適應(yīng)控制技術(shù),通過運動想象實現(xiàn)對腳踝康復(fù)機器人的同步控制和異步控制,實現(xiàn)人-腦-機協(xié)作控制;實測結(jié)果數(shù)據(jù)表明,本方法可在減少通道數(shù)目的同時提高運動想象任務(wù)的分類正確率,受試者參與可實現(xiàn)高效的“患者主導(dǎo)”腦控康復(fù)機器人協(xié)作訓(xùn)練。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP242
【圖文】：

具有以下特點：①結(jié)構(gòu)簡單、重量輕；②內(nèi)在柔性好、安全度高對象造成傷害；③動作平滑、無相對摩擦部件；④輸出力-自重比率高；⑤能源清潔，使用安全方便；⑥價格低廉、維護方便。相型，氣動柔性驅(qū)動型康復(fù)器最大的優(yōu)點就在于其柔順性和安全性體的康復(fù)至關(guān)重要[6]。氣動肌肉能以最接近人體肌肉的方式來驅(qū)動驅(qū)動的機器人柔順性好且適合穿戴，因此作為驅(qū)動器設(shè)計輔助康特的優(yōu)勢[7]。雖然氣動肌肉的控制精度低于電機等剛性驅(qū)動器，但位置精度可以折中，為患者提供安全、柔性的輔助才是最重要的[

其肩部到腕部共有 7 個自由度，每個自由度采用 2 個氣動肌肉單元對抗驅(qū)動[21]，如圖1-2(a)所示。該單位還研制了用于助力和步行訓(xùn)練的穿戴式人體下肢外骨骼，具有 5 個自由度，其中髖關(guān)節(jié) 3 個自由度，膝關(guān)節(jié)和腳踝各 1 個自由度，均采用氣動肌肉對抗配置的形式實現(xiàn)單自由度的雙向驅(qū)動[15]，如圖 1-2(b)所示。為了將氣動肌肉的直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，須采用滑輪機構(gòu)。Tondu 等設(shè)計了一種七自由度機械臂，其各關(guān)節(jié)也采用拮抗氣動肌肉對來驅(qū)動[22]。比利時 VrijeUniversity Brussel 開發(fā)了折疊式氣動肌肉驅(qū)動的兩足步行機器人

氣動肌肉多采用拮抗對的形式實現(xiàn)單關(guān)節(jié)的雙向運動，同時控制 2 根氣動肌肉才能實現(xiàn)對單關(guān)節(jié)的運動控制，不僅控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，還使得整個系統(tǒng)的體積、質(zhì)量甚至成本文獻[27]開發(fā)了一種 10 自由度上肢機器人，每個關(guān)節(jié)由兩根體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。另外，對于拮抗型氣動肌肉的驅(qū)動關(guān)節(jié)，須被同步地控制，以確保繞在關(guān)節(jié)上繩纜處于緊張狀態(tài)。當依靠機械設(shè)計來保證繩纜不脫離關(guān)節(jié)。如果鋼絲繩沒有被氣松弛狀態(tài)，則容易從氣動肌肉驅(qū)動關(guān)節(jié)拉盤上脫落而造成機這對處于康復(fù)訓(xùn)練中的患者是一個嚴重的安全隱患。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號：2761018