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卧式下肢康复机器人研究

孙洪颖  
【摘要】:近年来,随着人们生活水平的提高和饮食结构的改变,脑血管病在世界上大多数国家已成为多发病,其发病率明显增高并日趋年轻化,目前已被公认是危及人类生命的主要疾病之一。脑血管病患者在病情稳定后,受到损害的神经会开始逐渐恢复,但是这种自然恢复的过程很慢,并且不能完全恢复。神经科学家和康复医学家在长期临床实践中,发现脑在损伤后,通过康复训练可以使神经系统完成功能重组和代偿,恢复肢体失去的运动功能,改善患者的生活自理能力。康复机器人是辅助肢体运动功能障碍患者完成临床上要求的康复训练内容,并能向患者和治疗师提供反馈信息的辅助康复治疗自动化设备。与传统治疗方式相比,机器人辅助治疗既能保证训练强度和康复效率,又能对康复过程和康复效果进行客观评价,因此,康复机器人越来越多的受到人们的关注,在康复工程与康复医学方面具有很好的应用前景。 本文是在国家自然科学基金项目:下肢康复训练机器人关键技术研究(60575053)的资助下,针对如何利用下肢康复机器人,使脑血管病所导致的下肢运动功能障碍患者实现运动功能的康复问题,在人机系统的康复运动规划、人体下肢动力学分析、康复策略等方面进行了较深入的理论分析和实验研究。 综述了国内外卧式下肢康复机器人及相关领域的研究现状,在对现有卧式下肢康复机器人的机构、工作原理以及控制策略进行分析和比较的基础上,依据运动康复机理,提出了一种新型卧式下肢康复机器人的机构方案,设计了机器人的控制方案。该机器人适合于不同身高和体重的患者使用,可以根据不同阶段的康复目的提供临床上所需要的训练模式。 对卧式下肢康复机器人人机系统进行正逆运动学分析,确定了机器人系统的工作空间。利用MATLAB/SimMechanics软件对正逆运动学模型进行检验,验证了模型的正确性。从不同康复阶段的训练需求出发,对下肢关节的康复训练进行规划,以人机系统运动学模型为基础,获得对康复机器人的运动规划,为提高康复效率及重建正常的行走运动模式打下基础。 利用拉格朗日法和牛顿-欧拉法分别建立了人体下肢动力学模型、机器人动力学模型和人机系统动力学模型。通过实验研究分析了人体动力学模型中的弹簧系数和阻尼系数,并对下肢的康复训练进行仿真研究,获得了康复过程中人机系统的动力学参数,一方面根据人体生物力学数据来评估患者康复训练的安全性和舒适性,另一方面为控制系统的设计提供理论依据。 根据脑血管病后患者的康复治疗过程选择了主被动控制策略和助力运动控制策略,利用位置控制、阻抗控制、模糊变阻抗控制三种控制方法实现临床上所需要的被动训练、主动训练和主被动训练模式,利用电流环控制方法实现助力训练模式。建立了基于MATLAB/Simulink的控制仿真模型,对控制策略进行仿真分析。分析结果表明各种控制策略的可行性和有效性,为实验研究提供理论依据。 研制了卧式下肢康复机器人实验样机,介绍了机器人的测量系统和控制系统。利用dSPACE平台对人体下肢的康复训练进行实验研究,包括被动训练实验、助力训练实验、主动训练实验、模拟痉挛实验以及主被动实验。实验研究验证了机器人机构的合理性,控制系统中各种控制策略的有效性。


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