氣動(dòng)肌肉腕關(guān)節(jié)和下肢康復(fù)機(jī)器人及其控制技術(shù)研究.pdf

1、康復(fù)訓(xùn)練以神經(jīng)可塑性為理論依據(jù)，能讓肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙患者重新獲得日常行為能力。康復(fù)機(jī)器人能夠帶動(dòng)患者進(jìn)行可重復(fù)、高精度的康復(fù)運(yùn)動(dòng)，減少了醫(yī)生的工作強(qiáng)度，增加了患者的訓(xùn)練時(shí)間和訓(xùn)練強(qiáng)度，提高了康復(fù)效果。我國在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域還處于起步階段。因此，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的康復(fù)機(jī)器人具有深遠(yuǎn)的意義。本文以安全可靠及成本低廉為目標(biāo)，采用氣動(dòng)肌肉作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器研制了2款分別用于腕關(guān)節(jié)康復(fù)和下肢步態(tài)矯正的康復(fù)機(jī)器人。再從安全控制的角度出發(fā)，引入了一種

2、新型的代理滑模控制方法對(duì)所研制的康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行位置控制。并針對(duì)該方法在氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的康復(fù)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制中缺乏魯棒性的問題，分別采用神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)代理滑?？刂浦械木植繀?shù)進(jìn)行在線自調(diào)節(jié)的方法，對(duì)代理滑?？刂七M(jìn)行了改進(jìn)。在不改變其特有的安全特性的前提下，增強(qiáng)了其魯棒性。
　　首先，為了了解氣動(dòng)肌肉的輸出特性，為康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供依據(jù)，本文對(duì)現(xiàn)有的氣動(dòng)肌肉模型進(jìn)行了改進(jìn)。針對(duì)氣動(dòng)肌肉橡膠筒壁厚及彈性模量隨氣動(dòng)肌肉伸展/收縮而發(fā)生

3、變化的實(shí)際情況，對(duì)氣動(dòng)肌肉靜態(tài)力學(xué)模型中的彈性恢復(fù)力項(xiàng)進(jìn)行了修正，通過實(shí)驗(yàn)確定了彈性恢復(fù)力修正系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，提高了氣動(dòng)肌肉模型的精度。
　　其次，針對(duì)已有的腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人很少考慮上肢康復(fù)機(jī)器人與手功能外骨骼的相容性，只適用于還具有抓握能力患者的問題，本文研制出一款氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的便攜式2自由度腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)，適用于無力抓握的患者。它具有減輕病人承重負(fù)擔(dān)，避免與手指運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉，運(yùn)動(dòng)過程更加自然，穿戴方便舒適等優(yōu)點(diǎn)。

4、>　　再次，針對(duì)現(xiàn)有下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人質(zhì)量大，成本高，柔順性差的問題，本文研制了一款氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用于步態(tài)矯正的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人。它能夠帶動(dòng)人體髖膝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練，具有重量小，成本低，安全性好的優(yōu)點(diǎn)。
　　然后，針對(duì)現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人底層位置控制大多以提高控制精度為目標(biāo)，而忽視了位置控制的安全性問題，本文采用基于代理的滑模(Proxy-based sliding mode control，PSMC)控制器和獨(dú)

5、立的關(guān)節(jié)柔順性控制器相結(jié)合的方法，提高了康復(fù)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的安全性。PSMC控制器在保證控制精度的同時(shí)，對(duì)不可預(yù)測的大位置誤差具有慢速過阻尼調(diào)節(jié)作用，避免了傳統(tǒng)控制方法調(diào)節(jié)過程中過高的關(guān)節(jié)角速度可能對(duì)患者造成的二次傷害，具有很強(qiáng)的安全性能。獨(dú)立的關(guān)節(jié)柔順性控制器利用氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)內(nèi)力大小對(duì)安全性能的影響以及氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)內(nèi)力/柔順性與初始張緊氣壓之間的關(guān)系，在不影響位置控制的同時(shí)，減小了關(guān)節(jié)內(nèi)力，進(jìn)一步提升了氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)的安全性能。

6、　　最后，針對(duì)實(shí)際樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中 PSMC對(duì)不同負(fù)載情況下的氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)位置控制缺乏魯棒性的問題，本文對(duì)PSMC控制器提出了2種改進(jìn)方法：采用神經(jīng)元PID控制器代替PSMC中的PID控制器和引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)PSMC控制律中的飽和函數(shù)內(nèi)的等效PID系數(shù)。通過神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的在線自調(diào)節(jié)，既增強(qiáng)了魯棒性，又保留了 PSMC特有的安全特性。通過康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)的穿戴實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)后的參數(shù)自調(diào)節(jié) PSMC作為關(guān)