面向病理性震顫的抑震機器人及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人在醫(yī)療和康復領(lǐng)域中得到了廣泛應用。醫(yī)療與康復機器人的研究發(fā)展迅速，成果顯著，為傳統(tǒng)醫(yī)學解決了許多問題，已成為當前機器人技術(shù)的研究熱點之一。病理性震顫通常出現(xiàn)在人體的上肢，雖不會危及患者的生命，但卻給患者的日常生活帶來了極大不便，甚至導致患者的生活不能自理。目前，醫(yī)學上尚無完全治愈震顫的方法。應用機器人技術(shù)對患者的震顫進行抑制，從而使患者具有一定的生活自理能力，為目前醫(yī)學上缺少完全治愈震顫方法的現(xiàn)狀提供了一種有

2、效的解決途徑。
　　研究人員對人體上肢震顫的機械特性進行了深入研究以后發(fā)現(xiàn)，震顫的人體上肢可視為一個二階生物力學系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輸入為肌肉力矩，輸出為肢體的位置，改變系統(tǒng)的阻尼值可以改變系統(tǒng)對外界激勵的響應，因此應用抑震機器人對患者肢體施加可控阻尼，可以達到抑制震顫的效果。
　　基于人體上肢生物力學模型及人體工程學分析，研制了外骨骼結(jié)構(gòu)的抑震機器人。所研制的抑震機器人具有兩個自由度，可以實現(xiàn)對人體肘部屈/伸、前臂旋轉(zhuǎn)運動中震顫

3、的抑震。抑震機器人肘部設計了傳感部分與抑震部分相分離的結(jié)構(gòu)，這樣可以利用人體的非剛體特性，通過角位移傳感器對震顫信息進行檢測。抑震機器人工作時直接與人體直接接觸，安全性是需要考慮的關(guān)鍵問題之一，因此選擇了被動式器件提供抑震力矩。磁流變阻尼器具有優(yōu)越的可控制性，適合應用于抑震機器人。設計了新型旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器，所設計的阻尼器磁路短，漏磁少，工作面積大，利于散熱，在較小的體積和能耗下，可以提供較大的阻尼力矩。研制了基于ARM的抑震機器人控

4、制器，控制器完成震顫信息的轉(zhuǎn)換與處理、抑震控制算法的運行、控制量的輸出等工作。
　　針對所設計的磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)特點，應用傳統(tǒng)磁路設計方法，對阻尼器進行了磁路設計，獲得了阻尼器的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。在此基礎上，對阻尼器的力學性能進行了有限元分析，應用ANSYS參數(shù)化設計語言，建立了阻尼器的三維結(jié)構(gòu)模型，基于磁流變液與磁芯材料具有不同的非線性磁導特性的特點，應用基于單元邊法的Solid117單元建立了阻尼器的有限元模型，進行了三維靜態(tài)非線

5、性電磁場分析，獲得了阻尼器的性能參數(shù)，進而對磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設計。完成了磁流變阻尼器的性能分析與優(yōu)化后，研制了磁流變阻尼器，并對其力學性能進行了實驗研究。
　　人體為非剛體，人體與抑震機器人間為非剛性連接，在其相互作用過程中，人體始終會有彈性變形的存在，這一彈性變形的變形量可以顯示人體震顫信息。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡融合了模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)點，通過學習，可以使得模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制器對誤差控制具有較好的準確性。但人體最大震顫

6、力矩的變化會改變被控被控對象的期望輸出值，這會影響模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的控制效果。為解決這一問題，設計了兩種不同的誤差量化方式，避免了人體最大震顫力矩時變性對抑震控制效果的影響，為了獲得被控對象準確的期望輸出值，采用了逐步逼近期望值控制方法。抑震控制中，以模糊神經(jīng)網(wǎng)絡作為主要控制方法，以逐步逼近期望值控制方法作為輔助，可以達到理想的抑震效果。
　　研制了模擬人體上肢震顫裝置，為抑震機器人的抑震實驗提供實驗平臺，測試結(jié)果顯示，模擬人體震顫裝