本文關(guān)鍵詞：套索驅(qū)動重力平衡上肢康復(fù)外骨骼研究　出處：《東南大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：腦卒中是由于腦血管閉塞或破裂而造成的嚴重神經(jīng)系統(tǒng)疾病,具有高發(fā)病率、高死亡率、高致殘率以及高復(fù)發(fā)率等特點,往往會導(dǎo)致患者出現(xiàn)偏癱和運動功能障礙。在傳統(tǒng)的偏癱臨床治療過程中,醫(yī)師通常以徒手方式對患者進行一對一的康復(fù)治療,治療效果受到醫(yī)師個人的治療手段、經(jīng)驗差異、主觀意識以及疲勞程度的影響,勞動強度大,護理成本高昂。康復(fù)訓(xùn)練機器人是醫(yī)療機器人的重要分支,可以輔助甚至替代醫(yī)師為偏癱患者提供持續(xù)、有效以及多模式的康復(fù)治療,緩解康復(fù)醫(yī)療人力資源緊缺問題,并強化患者的主動訓(xùn)練意識,為評估患者病情和改進治療方案提供客觀依據(jù),加快患肢運動功能的恢復(fù)速度。本文根據(jù)上述相關(guān)研究背景,針對上肢偏癱康復(fù)治療涉及的關(guān)鍵問題,設(shè)計了一種基于套索驅(qū)動的重力平衡上肢外骨骼機器人,適用于偏癱患者進行上肢康復(fù)訓(xùn)練,論文的主要內(nèi)容如下：基于偏癱康復(fù)治療基礎(chǔ)研究理論以及人體上肢的解剖學(xué)和運動學(xué)特征,針對上肢康復(fù)外骨骼系統(tǒng)的適用性、協(xié)調(diào)性、安全性以及輕便性提出結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。詳細介紹了具有重力平衡特性的套索驅(qū)動上肢康復(fù)外骨骼系統(tǒng),主要包括肩關(guān)節(jié)運動模塊、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)運動模塊、肩關(guān)節(jié)自適應(yīng)移動平臺、套索驅(qū)動模塊以及實時控制系統(tǒng)�；贛atlab/RTW/xPC實時開發(fā)目標環(huán)境,搭建傳感檢測系統(tǒng)和半物理實時運動控制平臺。建立外骨骼機器人關(guān)節(jié)坐標系和正運動學(xué)模型,利用蒙特卡洛法分析外骨骼的工作空間,利用混合積法分析奇異位姿分布特點,指導(dǎo)肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,采用矢量積法求解機器人雅可比矩陣�；谥怅P(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角概念來描述人體上肢運動過程中的冗余特性,提出的“上肢-嘴部共而”假設(shè)來估算上肢自由運動過程中的肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角位置,并推導(dǎo)出完整的外骨骼冗余運動學(xué)逆解。利用可穿戴運動捕捉系統(tǒng)來分析上肢在喝水、翻書、拉抽屜以及擦桌面過程中的運動學(xué)數(shù)據(jù),驗證共而假設(shè)和冗余運動學(xué)逆解的適用性。基于“混合平衡法”建立上肢外骨骼機器人的重力平衡模型,通過添加輔助平行連桿來定位系統(tǒng)整體重心,通過添加輔助彈簧、滑輪以及鋼絲繩等來平衡外骨骼與上肢受到的重力作用,保證運動過程中系統(tǒng)總勢能維持恒定。研究系統(tǒng)重力平衡魯棒性,推導(dǎo)平衡誤差分析模型,通過仿真分析由于人體測量參數(shù)變化而導(dǎo)致的平衡誤差以及關(guān)節(jié)殘余力矩。通過實驗比較在重力平衡和非平衡狀態(tài)下，上肢牽引外骨骼運動過程中肱二頭肌的表面肌電信號,驗證重力平衡的節(jié)能效果�；趲靷惸Σ聊Ｐ鸵约拔⒃芰ζ胶夥治�,建立準靜態(tài)條件下單套索傳動系統(tǒng)的力傳遞模型和彈性伸長模型,以及雙套索傳動系統(tǒng)的力矩傳遞模型。搭建雙套索傳動特性分析實驗平臺,對力矩傳遞模型的仿真結(jié)果進行實驗驗證,并研究系統(tǒng)預(yù)緊力、套索全曲率、潤滑條件以及滾輪半徑等因素對傳動效率的影響�；诶窭嗜辗ㄍ茖�(dǎo)外骨骼機器人和人體上肢整體的動力學(xué)模型,并設(shè)計摩擦模型參數(shù)辨識實驗對系統(tǒng)摩擦進行分析,采用墩小二乘法對的摩擦模型參數(shù)進行擬合處理。針對不同康復(fù)階段的偏癱患者臨床特征設(shè)計對應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練控制策略。針對急性期偏癱患者設(shè)計模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制算法,外骨骼沿著預(yù)定的軌跡牽引患肢進行被動模式訓(xùn)練。針對恢復(fù)期偏癱患者設(shè)計基于最小干涉原則的導(dǎo)納控制算法,根據(jù)患肢的運動偏差來劃分控制區(qū)域并調(diào)整外骨骼所提供的輔助力,幫助患者完成助力模式訓(xùn)練。針對后遺癥期患者設(shè)計基于導(dǎo)納控制和虛擬現(xiàn)實游戲場景的主動康復(fù)訓(xùn)練策略,增強訓(xùn)練過程的交互感和趣味性,患者抵抗外骨骼施加的阻力進行主動訓(xùn)練治療。分別對每種康復(fù)訓(xùn)練控制策略的可行性和訓(xùn)練效果進行了實驗驗證。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R49;TP242

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本文編號：1309544