站立康復功能輔助機器人系統的控制及其關鍵技術研究.pdf

1、國內圖書分類號：TP29學校代碼：10213國際圖書分類號：681.51密級：公開工學博士學位論文站立康復功能輔助機器人系統的控制及其關鍵技術研究博士研究生：王志強導師：姜洪源教授副導師：RomanKamnik教授申請學位：工學博士學科：機械設計及理論所在單位：機電工程學院答辯日期：2014年3月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學摘要I摘要站立是日常生活中重復最多的運動之一，但對于下肢癱瘓或肌肉受損、脊髓受損（SpinalCdInjury，S

2、CI）、脊髓灰質炎后遺癥患者以及下肢肌力不足的老年人患者卻無法完成。輔助站立機器人是基于康復技術，集成了控制、信息、機械、醫(yī)學等多學科的前沿課題。本研究工作以輔助站立機器人為基礎，從機器人的設計、工作原理、多模式控制和建立人體站立模型等方面進行了研究。由試驗和仿真結果可知，該系統能夠輔助人體沿期望軌跡完成站立康復訓練，人體可主動參與站立并可控制質心動量，達到了患者為主和機器人為輔的訓練目標。本文首先介紹了患者無法站立的原因和輔助站立機器

3、人系統的國內外研究現狀，分別從硬件系統的選擇和組成以及軟件系統的設計和開發(fā)等角度說明各部分的工作原理和主要作用。其次，為了分析輔助站立過程中人體的動力學特性，建立了矢狀面內人體站立動態(tài)模型。該模型可結合逆動力學算法、人體測量學參數和傳感器系統所測數據來預測人體下肢的關節(jié)力矩。在此基礎上進行了仿真與試驗研究，通過對比模擬與試驗結果驗證了模型的可行性。最后，通過擴展卡爾曼濾波算法建立了系統的狀態(tài)方程和測量方程。試驗與仿真結果表明，該算法實現

4、了傳感器系統所測數據與模型計算數據的融合。輔助站立機器人末端執(zhí)行器的運動軌跡決定了人體站立效果，而末端執(zhí)行器的位置由兩個運動關節(jié)共同決定。因此本文對輔助站立機器人各運動關節(jié)的位置控制方法進行了深入研究。當采用位置速度反饋控制時，雖然滑動關節(jié)位置精度較高，但旋轉關節(jié)位置誤差較大，而采用速度前饋控制可同時提高旋轉關節(jié)與滑動關節(jié)的位置精度。在此基礎上對輔助機器人的軌跡追蹤算法進行了研究。首先推導得出了操作空間內末端執(zhí)行器位置與各運動關節(jié)變量的

5、函數關系。其次，通過所建立的仿真平臺對不同運動軌跡進行了仿真研究。結果驗證了軌跡追蹤算法的有效性及梯形速率的合理性。為了實現患者主動參與站立為主，機器人為輔的目的。本文對患者站立所需輔助力進行了研究，并分析了不同輔助力的作用。推導得出了機器人輔助站立時人體力與力矩平衡方程，并結合擴展卡爾曼濾波算法建立了仿真模型和力控制器。最后搭建了機器人力控制的測試平臺。模擬與測試結果驗證了所建模型和控制器的合理性與可行性。采用力控制模式可有效減小人機