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上肢双边康复机器人轨迹规划与协调控制策略研究

苗青  
【摘要】:相较于传统人工模式,机器人辅助康复具有精度高、定量化、可重复性强、训练模式丰富等优点,能大大提高康复训练效率。针对肢体单边的上肢康复机器人系统具有较成熟的理论基础与技术支撑,并取得了广泛的临床应用。相比之下,上肢双边康复机器人技术的研究尽管还处于起步阶段,但世界范围内已经受到越来越多的关注。医学研究数据表明协调训练有助于大脑神经重塑性,这也一定程度上支持了上肢双边等新型机器人辅助康复技术的深入探索和发展。双边康复机器人据其结构可以划分为末端非连杆式(异步)与末端连杆式(同步)两种系统。双边异步机器人系统通常由多自由度独立机构组成,能够为康复需求患者提供较大范围的多运动模式康复训练,但其机构之间存在空间位置的干涉隐患,训练规划制定相对复杂。不同的是,双边同步机器人是由末端执行器和独立双手柄机构相连,即独立双手柄因末端执行器的连接作用而具有一定的耦合性,更适用于上肢协调性训练。然而,现有机器人辅助上肢双边康复技术在运动控制、轨迹规划、协调模式等方面尚缺乏深入探索,尤其缺乏个体适应性及激励机制与协调模式的归一化融合。因此,如何创建上肢双边康复机器人归一化轨迹规划理论、提出个性化的柔性交互控制方法以及实现高效的协调训练方式,是亟需解决的关键科学问题。本文依托新西兰奥克兰大学发展研究基金项目,以典型末端式双边康复机器人平台为实例,深入探索了上肢双边康复机器人轨迹规划与协调控制策略。首先,通过分析人体上肢运动学模型和异步机器人双边工作空间,研究了归一化轨迹规划方法。然后,基于轨迹规划理论研究了同步机器人位置控制、柔性交互控制以及协调控制实现。最后,结合受试者就双边康复机器人轨迹规划和交互协调控制等关键问题进行了一系列人体测试。本文的主要研究工作包括以下方面:(1)为了解决上肢双边康复机器人轨迹规划缺乏归一化理论的问题,本研究提出了一种新型基于三步法的轨迹规划策略。首先,通过对人体上肢各关节运动分析,建立七自由度上肢运动学模型,分析人体双手运动空间,并基于上肢双边异步康复机器人系统,通过融合机器人工作空间和双手运动空间交集得到人体上肢运动空间可行域。然后,在可行域内定义多运动模式的康复训练轨迹,确保训练安全性的同时实现康复运动多样化。最后,通过计算机器人各连杆位置关系分析空间干涉可能性,为构建安全的机器人康复环境提供了理论支撑。(2)为了增大机器人辅助训练有效空间,本研究采用基于外点罚函数优化的方法,建立了以最大化运动空间可行域为目标函数的异步机器人优化布局模型。进一步,为了解决三步法轨迹规划策略无法完全规避空间干涉的问题,在机器人优化布局模型的基础上,以避免空间干涉为约束条件建立了机器人逆运动学模型,提出了一种基于内点罚函数法对其进行非线性优化。仿真实验显示该优化算法能有效提高运动空间可行域范围,同时通过规避机器人空间干涉进一步完善了三步法轨迹规划策略。(3)为了进一步验证上述提出的机器人辅助上肢双边康复轨迹规划方法的适用性,及完善双边康复尤其是协调性训练的理论,本研究搭建了一种新型便携性式上肢双边同步机器人平台并实现了融合个性化运动空间的平稳位置控制。首先通过运动学和软硬件构成分析搭建了末端连杆式康复平台。然后,针对同步机器人耦合性问题,分别研究基于解耦PID和运动学比例电压的控制方法,并基于运动空间可行域理论,建立了基于最小加加速度的被动康复训练系统。实验结果显示该同步机器人均能在个性化工作空间内达到平稳精确的运动控制。(4)为了解决同步机器人交互控制策略存在缺乏个体适应性的问题,本研究将运动空间可行域与控制方法相融合,提出了基于线性调整的自适应柔性控制策略,通过定义内外柔性区域允许患者在参考轨迹周围能够自主运动,提高了机器人系统柔顺性。进一步,为了解决不规则外柔性区间边界存在控制参数突变问题,提出了基于BPNN的自适应柔性控制方法,建立了柔性区域内任意位置与控制参数的对应关系,消除参数突变造成的机器人抖振。最后,通过执行人体实验,结果显示提出的方法能有效提高人机交互安全性与柔顺性。(5)为了解决同步机器人协调训练模型单一的问题,在柔顺性控制的基础上,本研究构建了一种新的协调康复训练模型,并针对肢体运动能力具有差异性的患者,分别提出了基于虚拟通道的触发式位置控制和自适应导纳控制方法。进一步,为了消除训练过程中冗余辅助力造成的患者运动懒惰性,提出了一种基于任务表现的迭代控制方法,以不干预上肢运动为前提,通过有限次数的逼近寻求适应个体的最优控制参数。人体测试结果显示该方法能够激发患者主动运动意识,从而提高康复训练效率。


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