發(fā)布時(shí)間：2020-07-18 14:33

【摘要】：隨著老齡化社會(huì)的到來(lái),肢體運(yùn)動(dòng)障礙患者康復(fù)成為一個(gè)亟需解決的問(wèn)題�？祻�(fù)機(jī)器人對(duì)于提高康復(fù)效率、保證康復(fù)質(zhì)量、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義�？祻�(fù)機(jī)器人作為輔助治療工具,其運(yùn)動(dòng)模式應(yīng)豐富且有效,針對(duì)不同病情和不同恢復(fù)期的患者其運(yùn)動(dòng)模式應(yīng)具備適應(yīng)性。氣動(dòng)肌肉作為一種新型氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件,在新型醫(yī)療康復(fù)機(jī)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(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人在多種交互模式下的人機(jī)協(xié)作控制理論與技術(shù)研究,為肢體運(yùn)動(dòng)障礙人群提供一套柔順、安全、高效的醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人設(shè)備,對(duì)改善患者康復(fù)效果,提高患者康復(fù)的主動(dòng)性和積極性十分重要。該研究不僅對(duì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)材料與控制等前沿領(lǐng)域具有積極的推動(dòng)作用,而且對(duì)康復(fù)與輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,本文對(duì)氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的多自由度踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人及其人機(jī)協(xié)作控制展開深入研究。分析柔性踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模型和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù),研究基于交互力和柔順模型的人機(jī)協(xié)作控制機(jī)制,為機(jī)器人輔助的患者多模式訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)。進(jìn)一步考慮患者在康復(fù)過(guò)程中的肌體活動(dòng)和腦神經(jīng)控制回路,研究基于肌電信號(hào)、腦電信號(hào)等生物信號(hào)的機(jī)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(jī)器人的機(jī)構(gòu)模型和運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)力交互控制、人-肌-機(jī)協(xié)作控制、人-腦-機(jī)協(xié)作控制等方面進(jìn)行了充分的理論分析和方法設(shè)計(jì),完成了多種模式下的人機(jī)協(xié)作控制實(shí)驗(yàn),主要研究工作包括:(1)多自由度柔性踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)建模和運(yùn)動(dòng)控制研究。針對(duì)氣動(dòng)肌肉通過(guò)內(nèi)部氣壓控制其收縮長(zhǎng)度和拉力的特性,設(shè)計(jì)一種氣動(dòng)肌肉并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的二自由度柔性踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人,建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型并驗(yàn)證;結(jié)合軟硬件開發(fā)形成康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng),通過(guò)分析氣動(dòng)肌肉氣壓及其位移、輸出力之間的關(guān)系,研究康復(fù)機(jī)器人平臺(tái)的高性能運(yùn)動(dòng)控制方法;針對(duì)氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器在控制過(guò)程中存在的建模誤差及人機(jī)交互等外部干擾,提出一種自適應(yīng)反演滑�？刂破�,通過(guò)估計(jì)外部干擾來(lái)自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制律,可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)預(yù)定訓(xùn)練軌跡的高性能準(zhǔn)確跟蹤,受試者實(shí)驗(yàn)表明該方法具有很好的魯棒性。(2)基于層級(jí)柔順的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人柔性交互控制研究。根據(jù)患者的意圖和主動(dòng)努力以及與機(jī)器人間的交互作用,建立柔性康復(fù)機(jī)器人的阻抗控制模型;研究適應(yīng)患者交互作用和運(yùn)動(dòng)能力變化的輔助控制策略,充分考慮氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器的柔性特征,提出一種創(chuàng)新的層級(jí)柔順控制結(jié)構(gòu),從關(guān)節(jié)空間的驅(qū)動(dòng)器柔順性和任務(wù)空間的阻抗特性兩個(gè)層面,考慮到患者在過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)的貢獻(xiàn)和運(yùn)動(dòng)能力,實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的層級(jí)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(jī)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(hào)驅(qū)動(dòng)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的人-肌-機(jī)協(xié)作控制研究。采用肌肉協(xié)同理論對(duì)踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行特征提取,基于相關(guān)性分析判斷患者意圖,實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)多自由度連續(xù)動(dòng)作的高效識(shí)別;為了在機(jī)器人輔助過(guò)程中實(shí)時(shí)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(shí)域、頻域、時(shí)頻域和非線性特征,建立肌肉疲勞評(píng)估模型;在機(jī)器人阻抗模型的基礎(chǔ)上研究人-肌-機(jī)協(xié)作控制,利用評(píng)估模型輸出的疲勞因子調(diào)節(jié)機(jī)器人剛度系數(shù),使患者利用人機(jī)交互力柔順調(diào)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練任務(wù);實(shí)驗(yàn)表明基于肌肉活動(dòng)評(píng)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(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)的人-腦-機(jī)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(hào)通道選擇方法,建立基于多域特征融合的運(yùn)動(dòng)想象分類器,實(shí)現(xiàn)患者在康復(fù)訓(xùn)練中的腦意圖準(zhǔn)確識(shí)別;將患者想象結(jié)果映射到踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的多自由度運(yùn)動(dòng)中,創(chuàng)建基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)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(jī)器人自適應(yīng)控制技術(shù),通過(guò)運(yùn)動(dòng)想象實(shí)現(xiàn)對(duì)腳踝康復(fù)機(jī)器人的同步控制和異步控制,實(shí)現(xiàn)人-腦-機(jī)協(xié)作控制;實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)表明,本方法可在減少通道數(shù)目的同時(shí)提高運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的分類正確率,受試者參與可實(shí)現(xiàn)高效的“患者主導(dǎo)”腦控康復(fù)機(jī)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP242
【圖文】：

具有以下特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕；②內(nèi)在柔性好、安全度高對(duì)象造成傷害；③動(dòng)作平滑、無(wú)相對(duì)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(jià)格低廉、維護(hù)方便。相型，氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)型康復(fù)器最大的優(yōu)點(diǎn)就在于其柔順性和安全性體的康復(fù)至關(guān)重要[6]。氣動(dòng)肌肉能以最接近人體肌肉的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人柔順性好且適合穿戴，因此作為驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)輔助康特的優(yōu)勢(shì)[7]。雖然氣動(dòng)肌肉的控制精度低于電機(jī)等剛性驅(qū)動(dòng)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(gè)自由度，每個(gè)自由度采用 2 個(gè)氣動(dòng)肌肉單元對(duì)抗驅(qū)動(dòng)[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(gè)自由度，其中髖關(guān)節(jié) 3 個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)和腳踝各 1 個(gè)自由度，均采用氣動(dòng)肌肉對(duì)抗配置的形式實(shí)現(xiàn)單自由度的雙向驅(qū)動(dòng)[15]，如圖 1-2(b)所示。為了將氣動(dòng)肌肉的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，須采用滑輪機(jī)構(gòu)。Tondu 等設(shè)計(jì)了一種七自由度機(jī)械臂，其各關(guān)節(jié)也采用拮抗氣動(dòng)肌肉對(duì)來(lái)驅(qū)動(dòng)[22]。比利時(shí) VrijeUniversity Brussel 開發(fā)了折疊式氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的兩足步行機(jī)器人

氣動(dòng)肌肉多采用拮抗對(duì)的形式實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié)的雙向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制 2 根氣動(dòng)肌肉才能實(shí)現(xiàn)對(duì)單關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制，不僅控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，還使得整個(gè)系統(tǒng)的體積、質(zhì)量甚至成本文獻(xiàn)[27]開發(fā)了一種 10 自由度上肢機(jī)器人，每個(gè)關(guān)節(jié)由兩根體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。另外，對(duì)于拮抗型氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)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(dāng)依靠機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)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(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)拉盤上脫落而造成機(jī)這對(duì)處于康復(fù)訓(xùn)練中的患者是一個(gè)嚴(yán)重的安全隱患。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2761018