助行康復(fù)機(jī)器人控制策略研究.pdf

1、人體步行是在神經(jīng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)共同作用下達(dá)到的協(xié)調(diào)自主運(yùn)動(dòng)，是保證人類獨(dú)立生活的必備條件。神經(jīng)系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致人體行走障礙甚至失去步行能力，嚴(yán)重影響正常生活。腦血管病是神經(jīng)系統(tǒng)最常見(jiàn)的疾病之一，現(xiàn)代研究證實(shí)，腦卒中患者神經(jīng)功能損傷后，通過(guò)康復(fù)訓(xùn)練可使中樞神經(jīng)系統(tǒng)完成結(jié)構(gòu)重組和功能代償，恢復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)功能。人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)隨著年齡的增大逐漸衰退，老年人將產(chǎn)生不同程度的運(yùn)動(dòng)機(jī)能障礙，需要提供腿部助力或身體支撐才能實(shí)現(xiàn)正常行走。助行

2、康復(fù)機(jī)器人可以根據(jù)使用者的不同步行能力等級(jí)，對(duì)其提供相應(yīng)的行走訓(xùn)練模式，實(shí)現(xiàn)助行康復(fù)訓(xùn)練的智能化，并為臨床康復(fù)醫(yī)生提供客觀、準(zhǔn)確的治療和評(píng)價(jià)參數(shù)，保證訓(xùn)練的效率和強(qiáng)度。開(kāi)發(fā)助行康復(fù)機(jī)器人，幫助偏癱患者樹(shù)立重新行走的信心，提高老年人獨(dú)立生活的質(zhì)量，具有重要的研究意義。
　　 本文是在國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目：多功能助行康復(fù)機(jī)器人(2008AA040203)的資助下，針對(duì)如何利用助行康復(fù)機(jī)器人，幫助偏癱、截癱等肢體殘疾患

3、者及體弱老年人提供康復(fù)訓(xùn)練和助行服務(wù)的問(wèn)題，在人體步態(tài)信息檢測(cè)及分析、助行康復(fù)訓(xùn)練人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、機(jī)器人被動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略、機(jī)器人助力協(xié)調(diào)控制策略等方面進(jìn)行了較深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 綜述了國(guó)內(nèi)外助行康復(fù)機(jī)器人及相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，在對(duì)現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人的工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)、康復(fù)策略分析和比較的基礎(chǔ)上，依據(jù)人體步行運(yùn)動(dòng)機(jī)理，提出了一種基于雙曲柄機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)行走步態(tài)控制的助行康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的控制方案。該機(jī)器人可

4、針對(duì)使用者的不同步行能力等級(jí)提供相應(yīng)的行走訓(xùn)練策略，幫助腦卒中患者重新獲得步行功能，為體弱老年人提供行走助力。
　　 設(shè)計(jì)了人體步態(tài)信息測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)正常人平地行走的步態(tài)信息進(jìn)行了測(cè)量。研究了身體重心的前進(jìn)速度與下肢關(guān)節(jié)角度、角速度的運(yùn)動(dòng)特征關(guān)系，建立了人體步態(tài)信息的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)人體生理學(xué)運(yùn)動(dòng)信息，對(duì)雙曲柄助行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了尺寸優(yōu)化；提出了一種適用于雙曲柄助行機(jī)構(gòu)的步態(tài)規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)支撐期和擺動(dòng)期步態(tài)的合理控制?；谏眢w重心運(yùn)動(dòng)

5、信息建立了移動(dòng)單元速度規(guī)劃模型，規(guī)劃模型符合人體重心運(yùn)動(dòng)規(guī)律。利用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了助行康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)規(guī)劃符合正常行走步態(tài)特征，機(jī)器人可以幫助使用者在不同步速下實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的行走。
　　 基于運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了控制策略的研究。提出了一種助行康復(fù)機(jī)器人被動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略，用于對(duì)步行能力低于3級(jí)的使用者進(jìn)行被動(dòng)行走訓(xùn)練。分別對(duì)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行了伺服控制研究。利用動(dòng)力學(xué)矩陣數(shù)學(xué)模型和拉格朗日方法分別建立了助

6、行單元?jiǎng)恿W(xué)模型、人體下肢動(dòng)力學(xué)模型及人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；設(shè)計(jì)了助行單元魯棒控制器和移動(dòng)單元交叉耦合魯棒控制器；利用Lyapunov方法進(jìn)行了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。對(duì)各運(yùn)動(dòng)單元的控制特性和機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制特性進(jìn)行了仿真研究。
　　 提出了一種機(jī)器人助力協(xié)調(diào)控制策略，用于對(duì)步行能力高于3級(jí)的使用者進(jìn)行助力行走訓(xùn)練。分別對(duì)移動(dòng)單元力伺服控制、減重單元力伺服控制及人機(jī)系統(tǒng)助力協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究。建立了移動(dòng)單元?jiǎng)恿W(xué)模型及人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)

7、力學(xué)模型，通過(guò)分析系統(tǒng)特性設(shè)計(jì)了前饋-反饋復(fù)合控制器；針對(duì)兩輪受力不均導(dǎo)致的移動(dòng)單元轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了模糊控制器對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人整體的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)了基于使用者的加速度進(jìn)行恒質(zhì)量減重的力閉環(huán)控制器，保證使用者助力行走過(guò)程中下肢承受動(dòng)態(tài)載荷。進(jìn)行了各運(yùn)動(dòng)單元力控制及機(jī)器人系統(tǒng)助力行走協(xié)調(diào)控制的仿真研究。
　　 研制了助行康復(fù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部分的構(gòu)成及功能。利用dSPACE平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，