伴隨著老齡化時代到來,由中風、脊髓損傷、帕金森綜合征等疾病造成的肢體殘障人數(shù)迅速增長。其中,中風是導致人們下肢局部骨骼肌運動功能障礙的主要疾病。它是造成身體運動機能障礙的主要疾病,也是目前致殘率最高的疾病之一,且每年持續(xù)增長、并呈年輕化趨勢,嚴重地危害患者身體健康。肢體麻木、步伐不穩(wěn)、偏癱等是其最為常見的后遺癥。因此,中風不僅給患者身體和心理上帶來了嚴重傷害,還給患者家庭帶來了巨大的經(jīng)濟負擔。如何為中風患者提供必要的幫助已經(jīng)成為我們必須面對的社會服務問題。下肢康復機器人輔助患肢進行康復訓練是康復醫(yī)療發(fā)展的必然趨勢,但目前人機交互控制方法研究相對薄弱,導致康復訓練活動存在安全隱患,甚至造成二次損傷等問題。本文針對下肢康復機器人中存在的問題開展了深入研究,主要研究內(nèi)容如下:(1)針對下肢康復機器人動力學建模問題,將其結(jié)構(gòu)進行合理的抽象與簡化,提出一個具有普適性的結(jié)構(gòu)模型。在一個完整康復周期內(nèi),建立一類具有非線性、強耦合、不確定、時變等特性的動力學模型。動力學模型的建立為研究下肢康復機器人的魯棒穩(wěn)定性分析以及人機交互控制奠定基礎。(2)針對下肢康復機器人的魯棒穩(wěn)定性問題,在實際工程應用中,強魯棒性能夠增強系統(tǒng)的抗干擾能力。當下肢康復機器人模型發(fā)生參數(shù)攝動或外部擾動的情況,設計魯棒反饋控制器,因此,結(jié)合穩(wěn)定性條件和迭代學習技術(shù),設計不同的迭代學習控制器,實現(xiàn)下肢康復機器人多工況的康復訓練活動。(3)針對時變廣義逆矩陣求解問題,提出一種修正的歸零神經(jīng)網(wǎng)絡模型,根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性定理,分析該類網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。另外,當網(wǎng)絡受到噪聲干擾時,提出了一類抗噪型動力系統(tǒng),設計具有抗噪能力的歸零神經(jīng)網(wǎng)絡模型,研究該類網(wǎng)絡的漸近穩(wěn)定性和指數(shù)穩(wěn)定性。數(shù)值仿真結(jié)果表明,本文提出的歸零神經(jīng)網(wǎng)絡模型求解時變廣義逆矩陣是可行和有效的,為患者運動意圖識別奠定理論基礎和算法框架。(4)在康復訓練過程中,為了給患肢創(chuàng)造一個安全、舒適、自然且具有主動柔順的康復訓練環(huán)境,人機交互控制方法不可或缺。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提取患者的表面肌電信號(surface Electromyography,sEMG)并進行意圖識別,形成“患者-機器人”人機交互系統(tǒng)的康復訓練軌跡,設計基于迭代學習算法的人機交互控制器,避免患肢受到二次損傷。
【學位單位】：長春工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：R496;TP242
【部分圖文】：

國內(nèi)產(chǎn)

第2章下肢康復機器人建模及動力學分析10第2章下肢康復機器人動力學建模與分析2.1引言目前，下肢康復機器人的原型機開發(fā)取得了巨大的成功，但是其康復訓練活動的穩(wěn)定性分析與人機交互控制方法研究卻遠遠落后于原型機研制，其中，建立合適的動力學模型成為解決該類問題的關(guān)鍵[60]。本章以康復醫(yī)學理論為基礎，分析人體下肢解剖結(jié)構(gòu)，提取下肢運動規(guī)律和運動特征，構(gòu)建下肢康復機器人具有抗干擾的動力學模型，為下肢康復機器人的穩(wěn)定性和人機交互控制器設計奠定基矗2.2下肢康復醫(yī)學理論基礎從生物力學和解剖學領(lǐng)域分析人體下肢的構(gòu)成以及運動功能，可以深入地了解人體骨骼的運動規(guī)律。其中，生物力學是利用物理原理定量研究生物體內(nèi)的力是如何相互作用；解剖學是關(guān)于生命體結(jié)構(gòu)的科學。圖2-1是人體下肢骨骼系統(tǒng)的構(gòu)成，其中圖2-1（a）是從人體前面的視角觀測到的骨骼；圖2-1（b）是從人體后面的視角觀測到的骨骼。（a）正視圖（b）后視圖圖2-1人體下肢骨骼結(jié)構(gòu)圖從圖2-1中可以看出，人體下肢主要由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)三個運動關(guān)節(jié)構(gòu)成。在人體下肢骨骼中，髖關(guān)節(jié)是中軸骨和下肢的基礎關(guān)節(jié)，是人體骨骼的中央樞紐點。膝關(guān)節(jié)包括外脛股關(guān)節(jié)、內(nèi)脛骨關(guān)節(jié)和髕股關(guān)節(jié)，具有重要的生物力學功能，可

第2章下肢康復機器人建模及動力學分析11進行彎曲和伸展以及內(nèi)旋和外旋運動。踝關(guān)節(jié)由脛骨、腓骨和距骨組成。從解剖學角度，踝關(guān)節(jié)是鉸鏈關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)良好的吻合再加上內(nèi)測韌帶、外側(cè)韌帶、前后距腓骨和跟腓骨韌帶使之非常穩(wěn)定。踝關(guān)節(jié)的運動是圍繞著穿過距骨主體和兩踝尖端的旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生。根據(jù)人體解剖學原理，可以把人體分成三個相互垂直的軸以及對應的相互垂直的面。如圖2-2所示的解剖學人體坐標面，前后方向的水平線被稱為矢狀軸，左右方向的水平線被稱為冠狀軸，上下方向的垂線被稱為垂直軸。與地面平行，將人體分為上下兩部分的切面叫水平面，沿矢狀軸方向?qū)⑷梭w分為左右兩部分的切面叫矢狀面，沿額狀軸方向?qū)⑷梭w分為前后兩部分的切面叫冠狀面[61]。矢狀面冠狀面橫斷面圖2-2解剖學坐標面在康復訓練的初始階段，髖膝踝三個關(guān)節(jié)的運動主要發(fā)生在矢狀面。因此，基于人體下肢在矢狀面的運動特性，也為了簡化下肢康復機器人數(shù)學模型的建立，接下來只考慮下肢在矢狀面上的運動，即建立矢狀面上的下肢康復機器人模型。2.3人體下肢模型由于人體下肢是由骨骼、肌肉和筋膜等構(gòu)成，因此，從康復醫(yī)學角度出發(fā)，說明人體下肢是一個剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)。一般情況下，髖關(guān)節(jié)有三個自由度，分別是屈伸、內(nèi)收外展和內(nèi)旋外旋；膝關(guān)節(jié)只有一個自由度，即屈伸運動；踝關(guān)節(jié)跟髖關(guān)節(jié)一樣也是有三個自由度，分別是屈伸、內(nèi)翻外翻和內(nèi)旋外旋[62]。在康復訓練中，尤其是患者被動康復初期，患肢主要在矢狀面運動。因此，髖膝踝三個關(guān)節(jié)只各有一個自由度，即屈伸運動，此時，人體下肢運動系統(tǒng)是三個自由度的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)。因此，本文建立下肢康復機器人的具體流程如圖2-3所示。
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本文編號：2889579