助行康復(fù)機器人控制策略研究.pdf

1、人體步行是在神經(jīng)系統(tǒng)和運動系統(tǒng)共同作用下達到的協(xié)調(diào)自主運動，是保證人類獨立生活的必備條件。神經(jīng)系統(tǒng)或運動系統(tǒng)出現(xiàn)問題，會導(dǎo)致人體行走障礙甚至失去步行能力，嚴(yán)重影響正常生活。腦血管病是神經(jīng)系統(tǒng)最常見的疾病之一，現(xiàn)代研究證實，腦卒中患者神經(jīng)功能損傷后，通過康復(fù)訓(xùn)練可使中樞神經(jīng)系統(tǒng)完成結(jié)構(gòu)重組和功能代償，恢復(fù)肢體運動功能。人體運動系統(tǒng)會隨著年齡的增大逐漸衰退，老年人將產(chǎn)生不同程度的運動機能障礙，需要提供腿部助力或身體支撐才能實現(xiàn)正常行走。助行

2、康復(fù)機器人可以根據(jù)使用者的不同步行能力等級，對其提供相應(yīng)的行走訓(xùn)練模式，實現(xiàn)助行康復(fù)訓(xùn)練的智能化，并為臨床康復(fù)醫(yī)生提供客觀、準(zhǔn)確的治療和評價參數(shù)，保證訓(xùn)練的效率和強度。開發(fā)助行康復(fù)機器人，幫助偏癱患者樹立重新行走的信心，提高老年人獨立生活的質(zhì)量，具有重要的研究意義。
　　 本文是在國家高技術(shù)發(fā)展計劃(863計劃)項目：多功能助行康復(fù)機器人(2008AA040203)的資助下，針對如何利用助行康復(fù)機器人，幫助偏癱、截癱等肢體殘疾患

3、者及體弱老年人提供康復(fù)訓(xùn)練和助行服務(wù)的問題，在人體步態(tài)信息檢測及分析、助行康復(fù)訓(xùn)練人機系統(tǒng)運動規(guī)劃、機器人被動協(xié)調(diào)控制策略、機器人助力協(xié)調(diào)控制策略等方面進行了較深入的理論分析和實驗研究。
　　 綜述了國內(nèi)外助行康復(fù)機器人及相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，在對現(xiàn)有康復(fù)機器人的工作原理、機械結(jié)構(gòu)、康復(fù)策略分析和比較的基礎(chǔ)上，依據(jù)人體步行運動機理，提出了一種基于雙曲柄機構(gòu)實現(xiàn)行走步態(tài)控制的助行康復(fù)機器人機構(gòu)方案，設(shè)計了機器人的控制方案。該機器人可

4、針對使用者的不同步行能力等級提供相應(yīng)的行走訓(xùn)練策略，幫助腦卒中患者重新獲得步行功能，為體弱老年人提供行走助力。
　　 設(shè)計了人體步態(tài)信息測量系統(tǒng)，對正常人平地行走的步態(tài)信息進行了測量。研究了身體重心的前進速度與下肢關(guān)節(jié)角度、角速度的運動特征關(guān)系，建立了人體步態(tài)信息的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)人體生理學(xué)運動信息，對雙曲柄助行機構(gòu)進行了尺寸優(yōu)化；提出了一種適用于雙曲柄助行機構(gòu)的步態(tài)規(guī)劃模型，實現(xiàn)了對支撐期和擺動期步態(tài)的合理控制?；谏眢w重心運動

5、信息建立了移動單元速度規(guī)劃模型，規(guī)劃模型符合人體重心運動規(guī)律。利用MATLAB軟件進行了仿真分析，驗證了助行康復(fù)訓(xùn)練運動規(guī)劃符合正常行走步態(tài)特征，機器人可以幫助使用者在不同步速下實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的行走。
　　 基于運動規(guī)劃模型對機器人系統(tǒng)進行了控制策略的研究。提出了一種助行康復(fù)機器人被動協(xié)調(diào)控制策略，用于對步行能力低于3級的使用者進行被動行走訓(xùn)練。分別對兩個運動單元進行了伺服控制研究。利用動力學(xué)矩陣數(shù)學(xué)模型和拉格朗日方法分別建立了助

6、行單元動力學(xué)模型、人體下肢動力學(xué)模型及人機系統(tǒng)動力學(xué)模型；設(shè)計了助行單元魯棒控制器和移動單元交叉耦合魯棒控制器；利用Lyapunov方法進行了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。對各運動單元的控制特性和機器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制特性進行了仿真研究。
　　 提出了一種機器人助力協(xié)調(diào)控制策略，用于對步行能力高于3級的使用者進行助力行走訓(xùn)練。分別對移動單元力伺服控制、減重單元力伺服控制及人機系統(tǒng)助力協(xié)調(diào)控制進行了研究。建立了移動單元動力學(xué)模型及人機系統(tǒng)動

7、力學(xué)模型，通過分析系統(tǒng)特性設(shè)計了前饋-反饋復(fù)合控制器；針對兩輪受力不均導(dǎo)致的移動單元轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象，設(shè)計了模糊控制器對驅(qū)動力矩進行調(diào)整，實現(xiàn)控制機器人整體的協(xié)調(diào)運動。設(shè)計了基于使用者的加速度進行恒質(zhì)量減重的力閉環(huán)控制器，保證使用者助力行走過程中下肢承受動態(tài)載荷。進行了各運動單元力控制及機器人系統(tǒng)助力行走協(xié)調(diào)控制的仿真研究。
　　 研制了助行康復(fù)機器人實驗樣機，介紹了實驗系統(tǒng)各部分的構(gòu)成及功能。利用dSPACE平臺進行了相關(guān)的實驗研究，