基于sEMG信號的外骨骼式機器人上肢康復(fù)系統(tǒng)研究.pdf

1、上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人是醫(yī)療機器人的一個重要分支，它以偏癱上肢的運動再學(xué)習(xí)理論為依據(jù)，融合了康復(fù)醫(yī)學(xué)、人體解剖學(xué)、機械學(xué)、計算機科學(xué)及機器人學(xué)等諸多學(xué)科技術(shù)，是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點。康復(fù)機器人作為以人體，尤其是以病患個體為作用對象，輔助或替代醫(yī)師執(zhí)行患肢康復(fù)訓(xùn)練為目的的機器人系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)工業(yè)機器人，在實現(xiàn)基本功能的條件下，其設(shè)計和控制須充分考慮人體安全性、臨床操作的可行性、系統(tǒng)功效性、患者可接受性及患者主動參與性等因素。論文在黑龍江省科

2、技攻關(guān)重點項目支持下，針對臨床康復(fù)應(yīng)用需求，對上肢康復(fù)機器人系統(tǒng)設(shè)計、上肢康復(fù)機器人的表面肌電控制、上肢康復(fù)機器人的力控制及偏癱上肢康復(fù)訓(xùn)練策略等方面進行研究，為康復(fù)機器人系統(tǒng)設(shè)計及康復(fù)訓(xùn)練奠定理論及技術(shù)基礎(chǔ)。
　　論文首先以人體上肢解剖學(xué)及運動理論為依據(jù)，從臨床康復(fù)的安全性、有效性、實用性及舒適性角度提出對上肢康復(fù)機器人機構(gòu)、控制、傳感器等方面的設(shè)計要求。結(jié)合臨床應(yīng)用設(shè)計適用于不同身高、不同患側(cè)、不同損傷程度的上肢偏癱患者的新型

3、5DOF外骨骼式上肢康復(fù)機器人系統(tǒng)，并詳細闡述其機械結(jié)構(gòu)、控制體系、驅(qū)動硬件、傳感器的設(shè)計及運動學(xué)分析。
　　表面肌電信號作為神經(jīng)—肌肉運動產(chǎn)生的電信號富含了肌肉的運動狀態(tài)信息，因此將表面信號引入康復(fù)機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)人體上肢運動的辨識，預(yù)測人體主動運動意圖。首先，基于表面肌電信號的短時平穩(wěn)假設(shè)，提出了表面肌電信號的分段自回歸建模方法，并利用主成分分析與多特征融合實現(xiàn)四通道表面肌電信號的特征提取。通過不同樣本集訓(xùn)練條件下的單一BP神

4、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類測試實驗，以錯誤率和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練迭代次數(shù)為指標(biāo)，證明了提出的特征提取算法較傳統(tǒng)自回歸模型描述方法更具有優(yōu)越性，并得到了提出的特征提取算法在非線性特征空間可分性更強的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，針對單一 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的識別率不穩(wěn)定特點，基于 Adaboost集成分類思想提出度量輸出信息自適應(yīng)加權(quán)的表面肌電動作模式集成分類算法。實驗結(jié)果表明集成分類器由于綜合考慮了多個基分類器間的互補信息，較單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器具有更強的泛化、推廣能力，可提

5、高康復(fù)機器人系統(tǒng)對人體上肢運動意愿的判斷準(zhǔn)確率。
　　上肢主動運動對偏癱患者的康復(fù)進程具有較強的推動作用，而關(guān)節(jié)力矩信號是康復(fù)過程中人體上肢主動運動意圖的直接體現(xiàn)?；谧杩箍刂评碚撗芯炕陉P(guān)節(jié)力矩信號的上肢主動康復(fù)訓(xùn)練方法。首先建立上肢康復(fù)機器人靜力學(xué)模型，研究關(guān)節(jié)力矩電壓信號的預(yù)處理及空載力矩去除方法。然后根據(jù)末端力阻尼控制策略和關(guān)節(jié)剛度控制策略提出“阻尼式”和“彈簧式”兩種上肢主動訓(xùn)練策略：阻尼式上肢康復(fù)訓(xùn)練將“人—機”作用關(guān)

6、系建模為機械阻尼，患者上肢主動運動、康復(fù)機器人被動跟隨并以速度阻尼形式為人體上肢提供康復(fù)所需的運動阻力；“彈簧式”主動抗阻訓(xùn)練中康復(fù)機器人以關(guān)節(jié)彈簧形式為上肢偏癱患者提供剛性抗阻力，通過設(shè)置虛擬彈簧的剛度系數(shù)，可以達到患者“拉”動不同剛度的虛擬彈簧的訓(xùn)練效果。
　　針對臨床偏癱患者的康復(fù)進程提出進階交互式上肢康復(fù)訓(xùn)練策略?？祻?fù)早期采用基于表面肌電信號的自主性被動康復(fù)訓(xùn)練，訓(xùn)練方式為患者健側(cè)上肢控制患側(cè)上肢，達到雙臂鏡像協(xié)調(diào)訓(xùn)練的目