基于外骨骼機(jī)器人技術(shù)的人體手臂震顫抑制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、震顫是人體某個(gè)或多個(gè)功能區(qū)肌肉的有節(jié)律性、近似正弦往返擺動的肢體運(yùn)動，是關(guān)節(jié)周圍肌肉收縮和松弛的動力狀態(tài)。作為最為普遍的運(yùn)動障礙之一，震顫常見于人的肢體特別是手臂，影響精細(xì)動作、書寫和餐飲，嚴(yán)重時(shí)可對病人的日常生活、工作、社會交往等帶來諸多不便。盡管人類對于震顫發(fā)生機(jī)理及其藥物治療等方面的研究已經(jīng)進(jìn)行幾十年，但其研究還處于初期的探索階段，多數(shù)類型的震顫運(yùn)動的機(jī)理和起源至今尚未明確。目前的研究水平下，“對癥下藥”的藥物治療方法顯得“力不從

2、心”，在較短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出抑制患者震顫的普適性藥物較為困難，而震顫帶給患者諸如精細(xì)動作、書寫和餐飲等日常生活的不便問題短期內(nèi)很難得到解決。因此，本文試圖通過新的途徑（非藥物治療方面）對震顫及其抑制開展研究，利用機(jī)器人技術(shù)解決震顫患者的生活不便等問題。本文從震顫運(yùn)動發(fā)生的“表象”--震顫信號出發(fā)，綜合利用機(jī)器人技術(shù)，提出一種基于生物力加載技術(shù)的震顫補(bǔ)償與抑制的控制策略；設(shè)計(jì)一款可以穿套在患者前臂的可穿戴型震顫抑制機(jī)器人裝置。本文并不是試圖研

3、究震顫運(yùn)動發(fā)生的本質(zhì)，而是以抑制震顫運(yùn)動為目標(biāo)，重點(diǎn)研究震顫運(yùn)動信號檢測、震顫信號處理與評估、震顫抑制策略與安全性評估等方面，旨在為提高手臂震顫患者的生活質(zhì)量提供一種新途徑。全文的主要研究工作概括如下：
　　 “非藥物”抑制人體手臂震顫的理論和方法綜述。全面回顧了國內(nèi)外手臂震顫抑制的研究現(xiàn)狀。詳細(xì)闡述“非藥物”抑制人體手臂震顫的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)框架：對震顫信號的檢測方法、震顫信號的分析與處理方法、震顫信號的工程建模以及震顫信號的生

4、物力加載抑制方法等四個(gè)方面做了較為詳細(xì)的介紹和討論，為后續(xù)章節(jié)的論述提供了理論指導(dǎo)和依據(jù)。
　　 震顫信號的檢測、分析與處理方法研究。設(shè)計(jì)用于采集和處理震顫信號的可穿戴型手臂檢測裝置，包括固定在肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的慣性傳感器系統(tǒng)、加速度傳感器和表面肌肉電信號系統(tǒng)。針對震顫信號的非平穩(wěn)性特征，提出一種基于希爾伯特一黃變換方法的手臂震顫信號分析與處理方法，獲取震顫信號的幅值和頻率的時(shí)變信息。闡述HHT方法的提出背景、理論以及計(jì)算原理，重

5、點(diǎn)研究手臂震顫信號的EMD分解和Hilbert譜的構(gòu)建過程。研究手臂震顫信號的HHT識別方法和步驟。探討HHT方法的自身局限性：端點(diǎn)飛翼問題、模態(tài)混淆以及實(shí)時(shí)性問題。
　　 針對利用機(jī)器人技術(shù)抑制人體手臂震顫的性能需求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一款三自由度全驅(qū)動的可穿戴型手臂震顫抑制機(jī)器人。通過研究人體手臂的生理學(xué)特征，構(gòu)建實(shí)用的三自由度人體手臂生物力學(xué)模型，探討利用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行手臂震顫抑制等方面的可行性。研究該機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與模型

6、，詳細(xì)闡述可穿戴型外骨骼系統(tǒng)和震顫運(yùn)動檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析。最后，利用Adams虛擬樣機(jī)技術(shù)分別對該機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模與仿真。
　　 提出兩種震顫抑制控制策略：基于阻抗控制的“被動”震顫抑制控制策略和基于震顫補(bǔ)償?shù)摹爸鲃印闭痤澮种瓶刂撇呗浴Ｑ芯咳梭w手臂與可穿戴型外骨骼機(jī)器人之間的交互作用問題，并構(gòu)建基于阻抗特性的人-機(jī)交互模型。探討基于機(jī)器人技術(shù)的人體手臂震顫抑制的數(shù)學(xué)模型和機(jī)理分析，構(gòu)建手臂震顫抑制的動力學(xué)模型。

7、在此基礎(chǔ)上，提出以上兩種基于生物力加載技術(shù)的震顫抑制控制策略，并詳細(xì)闡述這兩種震顫抑制策略的控制原理和設(shè)計(jì)過程。最后，就有關(guān)于震顫抑制策略的評定問題展開討論，并把震顫抑制前后的信號能量比作為震顫抑制策略的評估標(biāo)準(zhǔn)。
　　 最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可穿戴型手臂震顫抑制機(jī)器人在抑制人體手臂震顫方面的有效性。重點(diǎn)闡述如下實(shí)驗(yàn)：基于Hilbert-Huang變換的手臂震顫信號處理，基于肌肉電信號的腕關(guān)節(jié)跟隨運(yùn)動實(shí)驗(yàn)和手臂震顫抑制實(shí)驗(yàn)分析與處理

8、。設(shè)計(jì)可以模擬人體手臂震顫運(yùn)動的機(jī)器人裝置，用來模擬頻率在0-20Hz的兩自由度震顫運(yùn)動，有效的解決由于安全和技術(shù)原因無法多次在真實(shí)的震顫患者身上驗(yàn)證震顫策略的問題。詳細(xì)闡述利用可穿戴型手臂震顫抑制裝置對手臂震顫進(jìn)行抑制的實(shí)驗(yàn)程序、人員、過程、條件和方法，并對實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人可以抑制頻率在0-20Hz的震顫運(yùn)動。另外，震顫抑制前后的功率譜對比圖顯示，基于生物力加載技術(shù)的震顫抑制策略對于人體手臂震顫的抑制是有一定效