【摘要】：下肢康復(fù)運動是針對下肢運動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,使得近些年來下肢康復(fù)機器人的研發(fā)和使用日益增多。隨著我國人口老齡化進程不斷的加快,運動功能障礙方面的疾病發(fā)病率不斷的提高,使得在經(jīng)濟高速發(fā)展的同時,社會對康復(fù)產(chǎn)品的需求也越來越大。但是,由于我國在康復(fù)機器人領(lǐng)域沒有成熟的產(chǎn)品,國外產(chǎn)品普遍占據(jù)國內(nèi)市場。因此,研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的下肢康復(fù)機器人產(chǎn)品具有深遠的意義。在下肢康復(fù)訓(xùn)練的研究中,將機器人技術(shù)引入其中,研制自動化的康復(fù)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工減重步行訓(xùn)練是當(dāng)前機器人領(lǐng)域研究的熱點之一。步行康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)正是該方面的自動化裝備,它能夠采用不同的控制策略,帶動患者沿著一定的康復(fù)運動軌跡進行康復(fù)運動,增加了訓(xùn)練的時間,提高了康復(fù)效果,減少了醫(yī)生的工作強度,最終使患者的下肢運動功能得到恢復(fù)。本文旨在以往研究的基礎(chǔ)上,對下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)進行了動力學(xué)建模,并對可供患者主動參與的康復(fù)訓(xùn)練控制方法進行分析和研究,同時考慮到實際的控制系統(tǒng)中很難建立準(zhǔn)確的動力學(xué)模型,為確保在動力學(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)計出基于魯棒PID控制器的步態(tài)軌跡自適應(yīng)主動控制方法。隨后,在基于魯棒PID控制器的基礎(chǔ)上設(shè)計出Youla-Kucera參數(shù)化自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制器增強患者在康復(fù)訓(xùn)練后期其肌肉力量和實現(xiàn)關(guān)節(jié)軌跡的完全主動訓(xùn)練。在跑步機速度協(xié)調(diào)控制方面,依據(jù)患者與跑步機之間的相互作用力設(shè)計出基于加速度抑制的跑步機速度跟隨協(xié)調(diào)控制器,實現(xiàn)了跑步機速度依據(jù)患者的運動意圖進行自動調(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。本論文第一章簡要介紹了國內(nèi)外下肢康復(fù)機器人的發(fā)展?fàn)顩r,并對應(yīng)用于下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的控制器和控制策略進行了簡要的介紹和分析,最后說明了本論文的主要研究內(nèi)容。第二章對下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)進行動力學(xué)建模,在機器主動訓(xùn)練模式下,采用拉格朗日分析方法建立人機系統(tǒng)的動力學(xué)模型;在患者主動訓(xùn)練模式下,采用牛頓-歐拉方法建立人機系統(tǒng)的動力學(xué)模型并對所建立的兩組模型進行了數(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,簡化了控制器的設(shè)計。隨著患者主動參與訓(xùn)練意識的不斷增強,考慮到人機交互作用,本章在基于系統(tǒng)動力學(xué)模型精確已知的情況下進行了阻抗控制器的設(shè)計。同時,為了在線提取患者的運動意圖,實現(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)計出步態(tài)參考軌跡自適應(yīng)協(xié)調(diào)算法并對所設(shè)計的控制器進行了仿真驗證。第四章主要介紹了在實際的系統(tǒng)中由于系統(tǒng)的動力學(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)確的動力學(xué)模型。因此,在控制器的設(shè)計中考慮這些不確定因素而設(shè)計基于魯棒PID控制器的步態(tài)軌跡自適應(yīng)主動控制方法使系統(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控制器的參數(shù)進行了優(yōu)化。在康復(fù)訓(xùn)練后期,考慮到患者的運動功能逐步恢復(fù),患者處于一種完全主動的訓(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)計出一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制器。本章對所設(shè)計的基于魯棒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)方法進行了仿真驗證。第五章,基于訓(xùn)練者與跑步機之間的相互作用力設(shè)計出跑步機速度跟隨協(xié)調(diào)控制器,使得跑步機的速度可以依據(jù)患者的運動意圖進行自動的調(diào)整,實現(xiàn)了人機系統(tǒng)與跑步機的協(xié)調(diào)控制。同時,在控制器中增加了加速度抑制模塊,有效地抑制了跑步機的加速度,避免了因加速度過大對患者肌肉造成的可能二次傷害。最后,對設(shè)計出的跑步機速度跟隨協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行了仿真驗證。第六章對控制系統(tǒng)的硬件進行了介紹,并在既有控制系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上進行了控制軟件的設(shè)計,同時對設(shè)計出的控制器進行了實驗驗證。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)計介紹等;軟件方面主要包括系統(tǒng)軟件的組成介紹、運動控制程序設(shè)計、數(shù)據(jù)采集分析處理、控制算法程序、協(xié)調(diào)控制程序及人機界面設(shè)計等。重點在樣機實驗平臺上進行了位置控制實驗和阻抗控制實驗,并對設(shè)計的基于魯棒PID控制器的步態(tài)軌跡自適應(yīng)主動控制方法進行了實驗,實驗結(jié)果證明了所設(shè)計的控制器用于主動康復(fù)訓(xùn)練的可行性。第七章,對本博士論文所作的研究進行總結(jié)并提出了今后研究的方向。本博士論文通過對下肢外骨骼機械腿關(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)用價值。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP242
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本文編號：2551542