行走輔助訓(xùn)練機器人研究.pdf

1、行走輔助訓(xùn)練機器人是一種能夠幫助具有運動功能障礙患者和老年人進行輔助行走的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，在控制下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)運動符合正常步態(tài)的同時，控制骨盆的運動規(guī)律，并與下肢步態(tài)相協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)訓(xùn)練者自身平衡功能，達到更好的助行訓(xùn)練目標(biāo)。研究行走輔助訓(xùn)練機器人對開展康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)、提高患者和老年人的生活質(zhì)量具有重要意義，也符合國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要要求。
　　 本文在“863”重點課題“多功能助行康復(fù)機器人”項目資助下，針對行走輔

2、助訓(xùn)練機器人的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)機構(gòu)學(xué)特性和控制策略進行了理論分析和仿真研究，并研制了行走輔助訓(xùn)練機器人實驗樣機，基于dSPACE半物理仿真平臺對機器人進行了實驗研究。
　　 在綜合分析了國內(nèi)外有關(guān)下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人和骨盆運動控制機器人技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種行走輔助訓(xùn)練機器人，該機器人包括串并聯(lián)欠驅(qū)動骨盆運動控制機構(gòu)和繩索牽引下肢運動控制機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)運動控制和骨盆運動控制，且允許訓(xùn)練者的主動性運動，使機器人更好地滿

3、足訓(xùn)練安全性要求。
　　 針對骨盆運動控制機構(gòu)，通過建立完全驅(qū)動情況下的系統(tǒng)運動學(xué)模型，規(guī)劃操作端運動軌跡，并對欠驅(qū)動情況下的控制輸出進行精度分析。在此基礎(chǔ)上分析了機構(gòu)慣性對驅(qū)動特性的影響，規(guī)劃了期望軌跡下的驅(qū)動力矩，仿真研究了對中約束彈簧剛度和預(yù)緊力對骨盆運動特性的影響。針對下肢運動控制機構(gòu)，利用影響系數(shù)法分析了繩索運行速度、加速度與髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)運行速度、加速度之間的映射關(guān)系，并通過機構(gòu)仿真手段規(guī)劃了期望軌跡的繩索運動輸出；

4、利用約束法建立了系統(tǒng)力螺旋平衡方程，基于達朗伯原理分析了系統(tǒng)動力學(xué)特性，通過廣義逆求得繩索拉力解，為驅(qū)動電機選擇和驅(qū)動特性實驗提供依據(jù)。
　　 考慮行走輔助訓(xùn)練機器人是多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，且具有強耦合的動力學(xué)特性。在分析魯棒跟蹤控制策略特點基礎(chǔ)上，提出魯棒跟蹤控制策略實現(xiàn)對行走輔助訓(xùn)練機器人的跟蹤控制。由于行走輔助訓(xùn)練機器人下肢運動運動控制系統(tǒng)模型的建模的不準確和受到外界干擾，將行走輔助訓(xùn)練機器人控制系統(tǒng)考慮為一類不確定性線

5、性系統(tǒng)，將系統(tǒng)的不確定性假設(shè)滿足廣義的匹配條件，在此基礎(chǔ)上設(shè)計魯棒跟蹤控制器。通過對下肢運動控制機構(gòu)的軌跡魯棒跟蹤控制仿真，分析了系統(tǒng)控制精度，證明了魯棒跟蹤控制策略的可行性。
　　 根據(jù)行走輔助訓(xùn)練機器人結(jié)構(gòu)方案，研制了行走輔助訓(xùn)練機器人實驗樣機。以dSPACE半物理仿真平臺作為控制系統(tǒng)的上位機，對骨盆運動控制機構(gòu)進行了電動缸實驗、系統(tǒng)標(biāo)定實驗，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)控制實驗進行了詳細的分析；對下肢運動控制機構(gòu)在確定控制器參數(shù)基礎(chǔ)上