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坐卧式下肢康复机器人机构设计与协调控制研究

冯永飞  
【摘要】:下肢康复机器人的机构设计与协调控制策略的研究,对于提高肢体损伤患者的康复质量、减轻家庭负担、构建和谐社会具有重要的实际意义和社会效益。本课题从构型设计与人机分析、变工作空间下轨迹规划、人机协调动力学方程、人机协调控制策略与多传感信息融合、实验平台构建与临床试验五个方面对坐卧式下肢康复机器人进行研究,主要内容包括:基于患者下肢功能障碍病因机理,应用康复医师传统手法,通过机械腿嵌入力/位传感器方法,确定了以患者下肢肌力与肌张力为主要指标的康复机器人评价方法;应用人机工程学确定了机械腿的长度与关节运动范围参数;结合临床应用环境要求,搭建了适合不同损伤程度患者的坐卧式多关节下肢康复机器人虚拟样机,可电动调整机械腿长度与机械腿间宽度适应不同体型患者;可移动座椅模块化设计,便于患者入座和离座搬移;机械与电气限位、电机去电抱闸、急停开关联合应用,保证患者的绝对安全。应用D-H法求解了机械腿各关节角度与末端位姿运动学函数关系;基于刚体连杆误差传递矩阵,建立三自由度下肢康复机器人机械腿静态位姿误差模型,采用蒙特卡洛统计试验法,得到类似患者下肢步态异常的机械腿连杆机构误差源的位置判定推理,从而可应用机械腿精确运动实现患者步态纠正。提出了坐卧式康复机器人变工作空间的概念,并应用图解法对该工作空间边界进行求解。基于患者阶段应用需求不同,提出了卧姿关节空间内双四次多项式插值和坐姿笛卡尔空间内五次多项式插值的轨迹规划方法。基于限幅与滑动平均滤波法,采用多项式组合拟合轨迹方式,实现医师示教训练轨迹的柔顺与平滑。应用拉格朗日能量平衡法,建立了人体下肢/机械腿四连杆动力学方程,并通过Adams模拟法和Matlab解析法联合仿真验证其正确性。分别建立了基于末端六维力传感器与关节扭矩传感器的人机协调动力学方程;针对机械腿质量分布不均匀与长度可变难题,将机械腿动力学方程变换为回归矩阵与参数向量乘积形式,采用最小二乘法实现了任意长度机械腿惯性参数求解。对下肢康复机器人控制策略进行了研究,提出了基于PID控制的轨迹跟踪控制、基于末端力位传感器的被动示教训练控制、基于模糊逻辑的被动轨迹渐增控制以及基于阻抗控制和模糊控制的主动训练控制策略。应用平均值、方差等统计方法,提取患者心率、温度、皮肤电阻等生理信息特征;基于经典DSmT理论的康复机器人传感信息融合技术,实现患者耦合多舒适度在线诊断。最后搭建了下肢康复机器人实验平台,通过电源模块噪声、地噪声、信号线与控制线的噪声抑制,对其电气控制系统电磁兼容稳定性进行了设计。对康复机器人样机的基本性能与轨迹跟踪控制进行了实验验证,并通过临床试验验证了所设计康复机器人的有效性与安全性。


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