臥式下肢康復機器人研究.pdf

1、近年來,隨著人們生活水平的提高和飲食結構的改變,腦血管病在世界上大多數(shù)國家已成為多發(fā)病,其發(fā)病率明顯增高并日趨年輕化,目前已被公認是危及人類生命的主要疾病之一。腦血管病患者在病情穩(wěn)定后,受到損害的神經會開始逐漸恢復,但是這種自然恢復的過程很慢,并且不能完全恢復。神經科學家和康復醫(yī)學家在長期臨床實踐中,發(fā)現(xiàn)腦在損傷后,通過康復訓練可以使神經系統(tǒng)完成功能重組和代償,恢復肢體失去的運動功能,改善患者的生活自理能力。康復機器人是輔助肢體運動功能

2、障礙患者完成臨床上要求的康復訓練內容,并能向患者和治療師提供反饋信息的輔助康復治療自動化設備。與傳統(tǒng)治療方式相比,機器人輔助治療既能保證訓練強度和康復效率,又能對康復過程和康復效果進行客觀評價,因此,康復機器人越來越多的受到人們的關注,在康復工程與康復醫(yī)學方面具有很好的應用前景。
　　 本文是在國家自然科學基金項目:下肢康復訓練機器人關鍵技術研究(60575053)的資助下,針對如何利用下肢康復機器人,使腦血管病所導致的下肢運動

3、功能障礙患者實現(xiàn)運動功能的康復問題,在人機系統(tǒng)的康復運動規(guī)劃、人體下肢動力學分析、康復策略等方面進行了較深入的理論分析和實驗研究。
　　 綜述了國內外臥式下肢康復機器人及相關領域的研究現(xiàn)狀,在對現(xiàn)有臥式下肢康復機器人的機構、工作原理以及控制策略進行分析和比較的基礎上,依據(jù)運動康復機理,提出了一種新型臥式下肢康復機器人的機構方案,設計了機器人的控制方案。該機器人適合于不同身高和體重的患者使用,可以根據(jù)不同階段的康復目的提供臨床上所

4、需要的訓練模式。
　　 對臥式下肢康復機器人人機系統(tǒng)進行正逆運動學分析,確定了機器人系統(tǒng)的工作空間。利用MATLAB/SimMechanics軟件對正逆運動學模型進行檢驗,驗證了模型的正確性。從不同康復階段的訓練需求出發(fā),對下肢關節(jié)的康復訓練進行規(guī)劃,以人機系統(tǒng)運動學模型為基礎,獲得對康復機器人的運動規(guī)劃,為提高康復效率及重建正常的行走運動模式打下基礎。
　　 利用拉格朗日法和牛頓-歐拉法分別建立了人體下肢動力學模型、機

5、器人動力學模型和人機系統(tǒng)動力學模型。通過實驗研究分析了人體動力學模型中的彈簧系數(shù)和阻尼系數(shù),并對下肢的康復訓練進行仿真研究,獲得了康復過程中人機系統(tǒng)的動力學參數(shù),一方面根據(jù)人體生物力學數(shù)據(jù)來評估患者康復訓練的安全性和舒適性,另一方面為控制系統(tǒng)的設計提供理論依據(jù)。
　　 根據(jù)腦血管病后患者的康復治療過程選擇了主被動控制策略和助力運動控制策略,利用位置控制、阻抗控制、模糊變阻抗控制三種控制方法實現(xiàn)臨床上所需要的被動訓練、主動訓練和主

6、被動訓練模式,利用電流環(huán)控制方法實現(xiàn)助力訓練模式。建立了基于MATLAB/Simulink的控制仿真模型,對控制策略進行仿真分析。分析結果表明各種控制策略的可行性和有效性,為實驗研究提供理論依據(jù)。
　　 研制了臥式下肢康復機器人實驗樣機,介紹了機器人的測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。利用dSPACE平臺對人體下肢的康復訓練進行實驗研究,包括被動訓練實驗、助力訓練實驗、主動訓練實驗、模擬痙攣實驗以及主被動實驗。實驗研究驗證了機器人機構的合理性