本文選題：外骨骼康復(fù)機(jī)器人　切入點(diǎn)：人工氣動(dòng)肌肉　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：因神經(jīng)損傷導(dǎo)致肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者日益增多。這將給家庭和社會(huì)帶來沉重的負(fù)擔(dān),而康復(fù)訓(xùn)練能讓癱瘓患者重新獲得日常生活自理能力。以神經(jīng)可塑性為理論依據(jù)的肢體康復(fù),從最初的人工康復(fù)發(fā)展成為康復(fù)醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械工程、電子工程和控制理論為一體的智能康復(fù)�？祻�(fù)機(jī)器人和功能性電刺激是臨床上兩個(gè)主要的肢體智能康復(fù)技術(shù)。本文將康復(fù)機(jī)器人和功能性電刺激兩種智能康復(fù)技術(shù)有機(jī)組合,探索肢體智能康復(fù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新途徑�？纱┐魑遄杂啥壬现夤趋揽祻�(fù)機(jī)器人RUPERT具有重量輕和造價(jià)低的特點(diǎn)。其各關(guān)節(jié)由一根具有內(nèi)在柔順性的人工氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng),是針對因上肢屈肌的肌張力過高而導(dǎo)致伸展運(yùn)動(dòng)障礙的一類患者研制的。為了擴(kuò)大RUPERT的使用范圍,并使其普及到軟癱期患者,作者對氣動(dòng)肌肉和神經(jīng)肌肉電刺激進(jìn)行建模,使用氣動(dòng)肌肉和電刺激的癱瘓肌肉形成雙向?qū)?并利用迭代學(xué)習(xí)控制的方法實(shí)現(xiàn)伸展輔助運(yùn)動(dòng)。手功能康復(fù)訓(xùn)練可以幫助患者恢復(fù)抓握功能,對患者的日常生活有著重大意義�；颊咧鲃�(dòng)參與訓(xùn)練相對被動(dòng)訓(xùn)練更能促進(jìn)手功能康復(fù)。作者借助研制的陣列電極,并通過掃描搜索方法尋找陣列電極的最佳刺激靶點(diǎn),通過刺激較小的手指肌肉實(shí)現(xiàn)大力抓和釋放的手功能活動(dòng)。表面肌電信號能體現(xiàn)患者主動(dòng)意圖,而電刺激下表面肌電信號被刺激瑕疵和M波淹沒。作者使用梳齒濾波器和空窗等技術(shù)提取主動(dòng)表面肌電,實(shí)現(xiàn)上肢伸展和主動(dòng)抓握訓(xùn)練�？祻�(fù)機(jī)器人可以替代康復(fù)治療師對患者進(jìn)行智能輔助,同時(shí)實(shí)時(shí)記錄康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)提供客觀和定量的評價(jià)。然而康復(fù)機(jī)器人治療的有效性仍存在爭議。本文通過臨床試驗(yàn)來驗(yàn)證五自由度RUPERT上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的有效性�？祻�(fù)治療師對患者訓(xùn)練前后的運(yùn)動(dòng)功能評估和作者對RUPERT試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,表明RUPERT上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人是安全的。在家庭環(huán)境訓(xùn)練中進(jìn)一步證明了該康復(fù)機(jī)器人具有良好的應(yīng)用效果。臨床試驗(yàn)讓大多數(shù)患者上肢運(yùn)動(dòng)功能得到改善,但有效性缺乏統(tǒng)計(jì)意義上的臨床顯著差異。對于肢體癱瘓的患者來說,下肢功能康復(fù)同等重要。本文研制了一款低造價(jià)應(yīng)用于髖膝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練氣動(dòng)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人。氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的外骨骼機(jī)器人是一個(gè)高度非線性系統(tǒng),這會(huì)造成步態(tài)跟蹤控制的困難。作者先采用滑模代理控制算法(PSMC)對下肢外骨骼進(jìn)行控制。PSMC不依賴模型,在位置誤差過大時(shí)能產(chǎn)生慢速過阻尼作用,避免高的角速度和力過度飽和。早期被動(dòng)步態(tài)訓(xùn)練有利于患者自然步態(tài)模式訓(xùn)練,對跟蹤精度要求高。為了進(jìn)一步提高步態(tài)訓(xùn)練跟蹤精度,一種抖振減弱魯棒滑模控制算法(CRVC)應(yīng)用到下肢外骨骼步態(tài)訓(xùn)練控制上。CRVC跟蹤精度優(yōu)于PSMC,但CRVC需要建立復(fù)雜模型。神經(jīng)損傷患者的踝關(guān)節(jié)會(huì)出現(xiàn)足下垂等運(yùn)動(dòng)功能失調(diào)。如果上述的髖膝外骨骼機(jī)器人再集成踝關(guān)節(jié)動(dòng)力裝置,下肢外骨骼結(jié)構(gòu)會(huì)變得復(fù)雜并且重量會(huì)增加。作者研究了功能性電刺激應(yīng)用于踝關(guān)節(jié)的康復(fù)技術(shù),對踝關(guān)節(jié)跖屈／背屈運(yùn)動(dòng)進(jìn)行神經(jīng)肌肉電刺激動(dòng)力學(xué)建模,并通過電刺激實(shí)驗(yàn)來探索相關(guān)肌肉(脛骨前肌、比目魚肌和腓腸肌)最佳協(xié)調(diào)控制機(jī)制。借助下肢外骨骼和功能性電刺激組合,作者通過跑臺步態(tài)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了下肢髖膝踝關(guān)節(jié)一體訓(xùn)練的康復(fù)技術(shù)。
[Abstract]:As a result of motor dysfunction in patients with increasing nerve injury. This will bring heavy burden to the family and society, and rehabilitation training can let paralyzed patients regain self-care ability of daily life. The neural plasticity theory for limb rehabilitation, from the initial development of a manual rehabilitation rehabilitation medicine, computer science, mechanical engineering. Intelligent rehabilitation of electronic engineering and control theory. As one of the rehabilitation robot and functional electrical stimulation are the two main body of intelligent rehabilitation technique in clinic. The rehabilitation robot and functional electrical stimulation of two kinds of intelligent rehabilitation technology organic combination, and explore new ways of limb intelligent rehabilitation technology is economical and practical. It can wear the five degrees of freedom the upper limb exoskeleton rehabilitation robot RUPERT has the advantages of light weight and low cost. The characteristics of each joint of the artificial pneumatic muscles by a compliance with internal drive Still, is due to the high muscular tension of upper limb flexor and lead to development of a class with stretching disorder. In order to expand the scope of the use of RUPERT, and make it available to patients in flaccid paralysis, the stimulation model of pneumatic muscle and neuromuscular electrical, pneumatic muscle and muscle electrical stimulation of the formation of paralysis bidirectional pull, and by using iterative learning control to achieve extension assist movement. Hand rehabilitation training can help patients regain grip function, it is of great significance to the daily life of the patients. The patients to participate in the training of relative passive training can promote the rehabilitation of hand function. The author uses the developed electrode array, and find the best stimulation target the electrode array by scanning search method, to achieve strong grasp of and release hand function activities through the stimulation of smaller finger muscles. Surface EMG signals can reflect patients with active intent, and power Under the stimulation of surface EMG signal is stimulated and M wave defect extraction technology. The author uses the submerged comb filter and the window active surface EMG, achieve upper limb stretching and active grasping training. Rehabilitation robot can replace the intelligent assisted rehabilitation therapists for patients, at the same time evaluation record of rehabilitation training to provide objective and quantitative data. However, the effectiveness of the treatment of rehabilitation robots is still controversial. This paper verified the effectiveness of five degree of freedom RUPERT upper limb exoskeleton rehabilitation robot through clinical trials. Rehabilitation therapists on motor function assessment of patients before and after the training assessment and analysis of RUPERT test data show that the RUPERT of upper limb exoskeleton rehabilitation robot is safe. In the family environment in training further proof the rehabilitation robot has good application effect in clinical trials. Most patients make upper limb motor function improved But the lack of effective, clinically significant differences statistically. For patients with limb paralysis, lower limb function rehabilitation are equally important. This paper has developed a low cost used in hip and knee joint rehabilitation training pneumatic lower limb exoskeleton rehabilitation robot. The exoskeleton robot driven by pneumatic muscles is a highly nonlinear system, the will cause the gait tracking control problems. The author first adopts the sliding agent control algorithm (PSMC) of the lower extremity bone outside the control of.PSMC does not depend on the model, can produce slow damping effect in position error is too large, angular velocity and force to avoid high supersaturation. Early passive gait training is beneficial to patients with natural gait training. Requirements for high tracking accuracy. In order to further improve the tracking accuracy of gait training, a chattering weaken robust sliding mode control (CRVC) algorithm is applied to the lower extremity exoskeleton gait training control On the tracking accuracy of the.CRVC is better than PSMC, but CRVC needs to establish a complex model. Patients with nerve injury of ankle joint will appear foot drop movement dysfunction. If the hip and knee exoskeleton robot and ankle joint integrated power device, the lower extremity exoskeleton structure will become more complex and the weight will increase. The author studies the rehabilitation technology of functional electrical stimulation applied to the ankle joint, the ankle plantar flexion and dorsiflexion movement of neuromuscular electrical stimulation dynamics modeling, and through the electric stimulation experiment to explore the related muscles (tibialis anterior muscle, soleus and gastrocnemius) optimal coordination control mechanism. With the help of the lower extremity exoskeleton and functional electrical stimulation combined by treadmill the gait experiment achieved a rehabilitation technique of hip knee and ankle joint development training.

【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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本文編號：1627241