站立康復(fù)功能輔助機器人系統(tǒng)的控制及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號：TP29學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號：681.51密級：公開工學(xué)博士學(xué)位論文站立康復(fù)功能輔助機器人系統(tǒng)的控制及其關(guān)鍵技術(shù)研究博士研究生：王志強導(dǎo)師：姜洪源教授副導(dǎo)師：RomanKamnik教授申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：機械設(shè)計及理論所在單位：機電工程學(xué)院答辯日期：2014年3月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要I摘要站立是日常生活中重復(fù)最多的運動之一，但對于下肢癱瘓或肌肉受損、脊髓受損（SpinalCdInjury，S

2、CI）、脊髓灰質(zhì)炎后遺癥患者以及下肢肌力不足的老年人患者卻無法完成。輔助站立機器人是基于康復(fù)技術(shù)，集成了控制、信息、機械、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科的前沿課題。本研究工作以輔助站立機器人為基礎(chǔ)，從機器人的設(shè)計、工作原理、多模式控制和建立人體站立模型等方面進(jìn)行了研究。由試驗和仿真結(jié)果可知，該系統(tǒng)能夠輔助人體沿期望軌跡完成站立康復(fù)訓(xùn)練，人體可主動參與站立并可控制質(zhì)心動量，達(dá)到了患者為主和機器人為輔的訓(xùn)練目標(biāo)。本文首先介紹了患者無法站立的原因和輔助站立機器

3、人系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分別從硬件系統(tǒng)的選擇和組成以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)等角度說明各部分的工作原理和主要作用。其次，為了分析輔助站立過程中人體的動力學(xué)特性，建立了矢狀面內(nèi)人體站立動態(tài)模型。該模型可結(jié)合逆動力學(xué)算法、人體測量學(xué)參數(shù)和傳感器系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)來預(yù)測人體下肢的關(guān)節(jié)力矩。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真與試驗研究，通過對比模擬與試驗結(jié)果驗證了模型的可行性。最后，通過擴展卡爾曼濾波算法建立了系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測量方程。試驗與仿真結(jié)果表明，該算法實現(xiàn)

4、了傳感器系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)與模型計算數(shù)據(jù)的融合。輔助站立機器人末端執(zhí)行器的運動軌跡決定了人體站立效果，而末端執(zhí)行器的位置由兩個運動關(guān)節(jié)共同決定。因此本文對輔助站立機器人各運動關(guān)節(jié)的位置控制方法進(jìn)行了深入研究。當(dāng)采用位置速度反饋控制時，雖然滑動關(guān)節(jié)位置精度較高，但旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位置誤差較大，而采用速度前饋控制可同時提高旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與滑動關(guān)節(jié)的位置精度。在此基礎(chǔ)上對輔助機器人的軌跡追蹤算法進(jìn)行了研究。首先推導(dǎo)得出了操作空間內(nèi)末端執(zhí)行器位置與各運動關(guān)節(jié)變量的

5、函數(shù)關(guān)系。其次，通過所建立的仿真平臺對不同運動軌跡進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果驗證了軌跡追蹤算法的有效性及梯形速率的合理性。為了實現(xiàn)患者主動參與站立為主，機器人為輔的目的。本文對患者站立所需輔助力進(jìn)行了研究，并分析了不同輔助力的作用。推導(dǎo)得出了機器人輔助站立時人體力與力矩平衡方程，并結(jié)合擴展卡爾曼濾波算法建立了仿真模型和力控制器。最后搭建了機器人力控制的測試平臺。模擬與測試結(jié)果驗證了所建模型和控制器的合理性與可行性。采用力控制模式可有效減小人機