發(fā)布時間：2019-10-22 07:43

【摘要】：下肢康復運動是針對下肢運動功能障礙患者廣泛采用的一種康復訓練方式。由于傳統(tǒng)的康復訓練方式的局限性,使得近些年來下肢康復機器人的研發(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,使得在經濟高速發(fā)展的同時,社會對康復產品的需求也越來越大。但是,由于我國在康復機器人領域沒有成熟的產品,國外產品普遍占據(jù)國內市場。因此,研制出具有自主知識產權的下肢康復機器人產品具有深遠的意義。在下肢康復訓練的研究中,將機器人技術引入其中,研制自動化的康復裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工減重步行訓練是當前機器人領域研究的熱點之一。步行康復訓練機器人系統(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運動軌跡進行康復運動,增加了訓練的時間,提高了康復效果,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。本文旨在以往研究的基礎上,對下肢康復訓練機器人系統(tǒng)進行了動力學建模,并對可供患者主動參與的康復訓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)中很難建立準確的動力學模型,為確保在動力學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)期望關節(jié)軌跡的自適應調整和跟蹤性能,設計出基于魯棒PID控制器的步態(tài)軌跡自適應主動控制方法。隨后,在基于魯棒PID控制器的基礎上設計出Youla-Kucera參數(shù)化自適應調節(jié)控制器增強患者在康復訓練后期其肌肉力量和實現(xiàn)關節(jié)軌跡的完全主動訓練。在跑步機速度協(xié)調控制方面,依據(jù)患者與跑步機之間的相互作用力設計出基于加速度抑制的跑步機速度跟隨協(xié)調控制器,實現(xiàn)了跑步機速度依據(jù)患者的運動意圖進行自動調節(jié)的功能,確保了患者康復訓練的安全,將有助于提高患者康復訓練的效果。本論文第一章簡要介紹了國內外下肢康復機器人的發(fā)展狀況,并對應用于下肢康復訓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容。第二章對下肢康復訓練機器人系統(tǒng)進行動力學建模,在機器主動訓練模式下,采用拉格朗日分析方法建立人機系統(tǒng)的動力學模型;在患者主動訓練模式下,采用牛頓-歐拉方法建立人機系統(tǒng)的動力學模型并對所建立的兩組模型進行了數(shù)學分析。第三章主要介紹了逆系統(tǒng)解耦方法,并將這種方法應用到了所研究的模型中,簡化了控制器的設計。隨著患者主動參與訓練意識的不斷增強,考慮到人機交互作用,本章在基于系統(tǒng)動力學模型精確已知的情況下進行了阻抗控制器的設計。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)軌跡的在線調整,本章在阻抗控制的基礎上設計出步態(tài)參考軌跡自適應協(xié)調算法并對所設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)準確的動力學模型。因此,在控制器的設計中考慮這些不確定因素而設計基于魯棒PID控制器的步態(tài)軌跡自適應主動控制方法使系統(tǒng)具有很好的魯棒性和關節(jié)軌跡的良好跟蹤性能,控制實現(xiàn)了期望關節(jié)軌跡的自適應調整,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。在康復訓練后期,考慮到患者的運動功能逐步恢復,患者處于一種完全主動的訓練模式,本章在魯棒PID控制器的基礎上采用Youla-Kucera參數(shù)化方法設計出一種自適應調節(jié)控制器。本章對所設計的基于魯棒PID控制器的步態(tài)參考軌跡自適應協(xié)調控制方法及Youla-Kucera參數(shù)化的自適應調節(jié)方法進行了仿真驗證。第五章,基于訓練者與跑步機之間的相互作用力設計出跑步機速度跟隨協(xié)調控制器,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整,實現(xiàn)了人機系統(tǒng)與跑步機的協(xié)調控制。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,對設計出的跑步機速度跟隨協(xié)調控制系統(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)硬件的基礎上進行了控制軟件的設計,同時對設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、運動控制程序設計、數(shù)據(jù)采集分析處理、控制算法程序、協(xié)調控制程序及人機界面設計等。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,并對設計的基于魯棒PID控制器的步態(tài)軌跡自適應主動控制方法進行了實驗,實驗結果證明了所設計的控制器用于主動康復訓練的可行性。第七章,對本博士論文所作的研究進行總結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鍵技術的研究,有助于為發(fā)展面向應用的下肢康復訓練機器人系統(tǒng)準備關鍵技術基礎,具有非常積極的學術意義和重要的應用價值。
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP242
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本文編號：2551542