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手指创伤功能康复机械手系统研究

王鹏  
【摘要】: 康复机器人作为机器人技术在医学领域内的一种应用给康复理论的发展和临床康复技术的进步带来了新的动力,已经成为机器人领域中一个重要的研究方向。手指创伤功能康复机械手作为康复机器人的一个分支,其主要任务是辅助手外伤患者进行术后的康复训练,依据现代循证医学(Evidence Based Medicine,简称EBM)和连续被动活动(Continuous Passive Motion,简称CPM)理论,可以使患者在尽可能短的时间内恢复健康。为了给手外伤患者提供一个用于手功能康复治疗的仪器设备,给手外科康复医师提供一个临床研究的平台,提高手功能康复治疗的自动化、智能化水平,本文结合省科技攻关计划重点项目“创伤手指临床康复CPM医疗机械手系统开发”研制了手指创伤功能康复机械手系统,并重点围绕机械手的康复原理、机械结构和电气系统设计、测量系统设计、运动学和动力学分析、位置控制算法、康复模式和系统实践等关键技术问题进行了深入的研究。 根据临床康复的需要,设计了康复机械手康复治疗方案,在分析了人手生物学特性的基础上,研制了手指创伤功能康复机械手系统。康复机械手系统的机械本体包括测量机构和驱动机构两部分,其中驱动机构部分放置于人手的外侧,通过连杆耦合传动机构模拟手指的自然运动来带动单手指或多手指完成弯曲/伸展康复治疗。康复过程中能够保证康复力始终垂直作用于手指骨,从而避免了对手指创伤关节周围软组织的进一步破坏。康复机械手驱动机构耦合连杆之间利用齿轮机构实现运动的传递,减少了系统自由度,降低了设计的复杂性和成本,减轻了系统的重量。采用机电一体化的设计思想,将康复机械手机构本体与驱动、传感、电气和控制系统等统一进行考虑。基于FPGA的电机驱动系统和数据采集系统负责电机驱动,同时完成传感器和编码器数据的采集和传输;基于DSP的实时任务处理系统负责高密集度的计算任务;基于ARM的人机交互系统运行Linux操作系统,负责多任务处理和人机交互功能。通过采用这种分层的控制策略满足了康复机械手实时控制和康复应用的要求。 基于外骨骼式滑动导杆结构设计了康复机械手测量系统机构本体,机构集成了关节位置传感器和指尖力传感器,能够实时反馈手指的关节角度、力信息。采用改进粒子群优化方法对扩张状态观测器的可调参数进行了优化,并将其应用到基于位置传感器信号的速度参数估计中,解决了用位置差分方法计算速度反馈信号噪声大的问题。将提取出的速度信号作为控制系统的速度反馈,改善了系统的动态性能。 文中基于机器人学理论分别建立了人手和康复机械手的数学模型,并对人手单手指的运动学、静力学和康复机械手的运动学、动力学进行了分析,为创伤手指关节力学特性测量和康复机械手的运动控制打下了基础。 为了克服外部干扰和参数变化对康复机械手的影响,使康复运动过程具有良好的稳定性能,以扰动观测器为内环,自适应滑模变结构控制器为外环设计了康复机械手鲁棒双环位置控制器。内环扰动观测器通过产生一定的校正信号,抑制外部扰动;基于自适应控制律的外环滑模控制器使系统达到一定的性能要求。这种双环控制策略在闭环调节的基础上进一步减小了各种干扰和系统参数变化对系统的影响,提高了康复机械手位置控制的鲁棒性。 最后,对建立的康复机械手系统进行了实验研究,包括人手适应性实验、位置控制实验、连续被动活动实验和手指关节力学特性测量实验。实验结果表明,康复机械手系统运行稳定、可靠,康复原理和方法正确可行,能够满足创伤手指的康复要求。


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