手指創(chuàng)傷功能康復(fù)機(jī)械手系統(tǒng)研究.pdf

1、康復(fù)機(jī)器人作為機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一種應(yīng)用給康復(fù)理論的發(fā)展和臨床康復(fù)技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)了新的動(dòng)力，已經(jīng)成為機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方向。手指創(chuàng)傷功能康復(fù)機(jī)械手作為康復(fù)機(jī)器人的一個(gè)分支，其主要任務(wù)是輔助手外傷患者進(jìn)行術(shù)后的康復(fù)訓(xùn)練，依據(jù)現(xiàn)代循證醫(yī)學(xué)（Evidence Based Medicine，簡(jiǎn)稱(chēng)EBM）和連續(xù)被動(dòng)活動(dòng)（Continuous Passive Motion，簡(jiǎn)稱(chēng)CPM）理論，可以使患者在盡可能短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)健康。為了給

2、手外傷患者提供一個(gè)用于手功能康復(fù)治療的儀器設(shè)備，給手外科康復(fù)醫(yī)師提供一個(gè)臨床研究的平臺(tái)，提高手功能康復(fù)治療的自動(dòng)化、智能化水平，本文結(jié)合省科技攻關(guān)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“創(chuàng)傷手指臨床康復(fù)CPM醫(yī)療機(jī)械手系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”研制了手指創(chuàng)傷功能康復(fù)機(jī)械手系統(tǒng)，并重點(diǎn)圍繞機(jī)械手的康復(fù)原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、位置控制算法、康復(fù)模式和系統(tǒng)實(shí)踐等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。
　　根據(jù)臨床康復(fù)的需要，設(shè)計(jì)了康復(fù)機(jī)械手康復(fù)治

3、療方案，在分析了人手生物學(xué)特性的基礎(chǔ)上，研制了手指創(chuàng)傷功能康復(fù)機(jī)械手系統(tǒng)?？祻?fù)機(jī)械手系統(tǒng)的機(jī)械本體包括測(cè)量機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分，其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分放置于人手的外側(cè)，通過(guò)連桿耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬手指的自然運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)單手指或多手指完成彎曲/伸展康復(fù)治療?？祻?fù)過(guò)程中能夠保證康復(fù)力始終垂直作用于手指骨，從而避免了對(duì)手指創(chuàng)傷關(guān)節(jié)周?chē)浗M織的進(jìn)一步破壞?？祻?fù)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耦合連桿之間利用齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞，減少了系統(tǒng)自由度，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本，

4、減輕了系統(tǒng)的重量。采用機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思想，將康復(fù)機(jī)械手機(jī)構(gòu)本體與驅(qū)動(dòng)、傳感、電氣和控制系統(tǒng)等統(tǒng)一進(jìn)行考慮。基于FPGA的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)完成傳感器和編碼器數(shù)據(jù)的采集和傳輸；基于 DSP的實(shí)時(shí)任務(wù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)高密集度的計(jì)算任務(wù)；基于ARM的人機(jī)交互系統(tǒng)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)多任務(wù)處理和人機(jī)交互功能。通過(guò)采用這種分層的控制策略滿(mǎn)足了康復(fù)機(jī)械手實(shí)時(shí)控制和康復(fù)應(yīng)用的要求。
　　基于外骨骼式滑動(dòng)導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)設(shè)

5、計(jì)了康復(fù)機(jī)械手測(cè)量系統(tǒng)機(jī)構(gòu)本體，機(jī)構(gòu)集成了關(guān)節(jié)位置傳感器和指尖力傳感器，能夠?qū)崟r(shí)反饋手指的關(guān)節(jié)角度、力信息。采用改進(jìn)粒子群優(yōu)化方法對(duì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的可調(diào)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并將其應(yīng)用到基于位置傳感器信號(hào)的速度參數(shù)估計(jì)中，解決了用位置差分方法計(jì)算速度反饋信號(hào)噪聲大的問(wèn)題。將提取出的速度信號(hào)作為控制系統(tǒng)的速度反饋，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
　　文中基于機(jī)器人學(xué)理論分別建立了人手和康復(fù)機(jī)械手的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)人手單手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和康復(fù)機(jī)械

6、手的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，為創(chuàng)傷手指關(guān)節(jié)力學(xué)特性測(cè)量和康復(fù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制打下了基礎(chǔ)。
　　為了克服外部干擾和參數(shù)變化對(duì)康復(fù)機(jī)械手的影響，使康復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有良好的穩(wěn)定性能，以擾動(dòng)觀測(cè)器為內(nèi)環(huán)，自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制器為外環(huán)設(shè)計(jì)了康復(fù)機(jī)械手魯棒雙環(huán)位置控制器。內(nèi)環(huán)擾動(dòng)觀測(cè)器通過(guò)產(chǎn)生一定的校正信號(hào)，抑制外部擾動(dòng)；基于自適應(yīng)控制律的外環(huán)滑?？刂破魇瓜到y(tǒng)達(dá)到一定的性能要求。這種雙環(huán)控制策略在閉環(huán)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小了各種干擾和系統(tǒng)參數(shù)