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下肢康复训练机器人控制策略与康复评价方法研究

白殿春  
【摘要】:在全球老龄化日益加剧及下肢功能障碍患者增多的背景下,研制具有自主知识产权的下肢康复训练机器人高技术产品具有重要理论意义,对减轻社会及家庭负担具有重大应用价值。依托教育部春晖计划及辽宁省科学研究计划项目,对全方位移动下肢康复训练机器人建模、设计、制作、康复训练与评价等关键技术进行了深入研究,为康复机器人系统应用奠定理论及技术基础。 (1)全方位移动下肢康复机器人数学模型研究。针对全方位轮式移动机器人机构进行了运动学和动力学分析。基于全局坐标系矢量分析,提出了一种针对四轮全向轮移动机器人数学模型建立方法,并根据机器人特点采用矢量分析方法建立了机器人运动学和动力学模型,解决了机器人驱动与位姿坐标关系问题,并验证了此模型的正确性。 (2)全方位移动下肢康复机器人L2鲁棒控制器研究。为设计L2鲁棒控制器,建立了全方位移动下肢康复训练机器人系统误差动态模型,将干扰抑制和轨迹跟踪问题归结为L2鲁棒控制器设计问题。分析了L2标准设计、耗散性与L2增益等技术难题,并通过构建存储函数,采用反推方法设计全方位移动下肢康复训练机器人非线性L2鲁棒控制器,基于Lyapunov定理证明了此L2控制律的稳定性。提出的方法不仅克服了系统控制器设计方法中求解HJI非线性偏微分不等式的困难,而且同时解决了干扰抑制和轨迹跟踪问题并且控制器渐进稳定。对采用非线性L2鲁棒控制器的全方位移动下肢康复训练机器人进行了仿真研究,验证了设计方法的有效性及正确性。 (3)全方位移动下肢康复机器人制作及康复评价方法研究。以人体下肢康复训练疗法及康复理论为依据,从临床康复的安全性、有效性、实用性及舒适性角度,提出对下肢康复机器人机构、控制、传感器等方面的设计要求。结合临床应用,制作了适用于不同身高、患者、损伤程度的下肢功能障碍患者的全方位移动下肢康复机器人系统样机。针对康复评价参数量化问题,提出了一种采用全方位移动下肢康复训练机器人获得动平衡参数及步态参数的方法,并设计了康复评价系统。 (4)全方位移动下肢康复机器人康复训练系统及康复评价系统实验研究。提出了康复训练时七种人体步态及在线检测方法。针对以往动平衡量化参数无法测量问题,提出了动平衡量化指标。基于本文建立的机器人康复评价系统进行了步态分析、动平衡实验研究。最后采用数字信号处理器实现非线性L2鲁棒控制算法,对设计的非线性L2控制算法的干扰抑制及不同轨迹跟踪性能进行实验研究,验证了此控制器的可行性。


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