五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，利用機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行神經(jīng)中樞康復(fù)已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。該技術(shù)不僅可以滿足傳統(tǒng)康復(fù)治療中的各項(xiàng)需求，而且康復(fù)醫(yī)師及患者可以直接從系統(tǒng)中獲取所需的訓(xùn)練信息，從而為更加深入了解神經(jīng)-運(yùn)動(dòng)康復(fù)規(guī)律提供了可能。
　　本文主要圍繞腦卒中后上肢偏癱運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)問題，為彌補(bǔ)臨床腦卒中偏癱康復(fù)治療中的訓(xùn)練效率低、無法全面采集患者的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、康復(fù)效果評(píng)價(jià)不夠客觀等諸多不足，研究如何利用五自由度（以下簡(jiǎn)稱5-DOF

2、）上肢康復(fù)機(jī)器人建立上肢智能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，為上肢偏癱康復(fù)開辟新的技術(shù)途徑。本文以臨床康復(fù)醫(yī)學(xué)和控制理論為基礎(chǔ)，將機(jī)器人與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練與心理訓(xùn)練相結(jié)合，主要解決:數(shù)學(xué)模型的建立，優(yōu)化控制功能及康復(fù)評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)問題，最終形成一種輔助或替代醫(yī)師完成患肢康復(fù)訓(xùn)練及評(píng)價(jià)的特種機(jī)器人系統(tǒng)。論文的主要研究工作包括:
　　(1)上肢康復(fù)醫(yī)學(xué)理論研究。在研究上肢康復(fù)的相關(guān)醫(yī)學(xué)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)腦卒中成因及運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練-神經(jīng)功能重塑-肢體

3、功能恢復(fù)三者相互關(guān)系進(jìn)行了闡述，指出肢體運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練是利用腦可塑性促進(jìn)功能重組的必要條件。同時(shí)，文中給出上肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式及其對(duì)肌肉功能的影響，并對(duì)臨床腦卒中上肢偏癱康復(fù)的運(yùn)動(dòng)療法進(jìn)行深入研究，總結(jié)各治療方法的主要特征及優(yōu)缺點(diǎn)，提出上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行腦卒中上肢偏癱康復(fù)訓(xùn)練的訓(xùn)練原則。
　　(2)上肢康復(fù)及評(píng)價(jià)系統(tǒng)構(gòu)建。鑒于目前腦卒中康復(fù)中缺乏評(píng)價(jià)——訓(xùn)練——檢測(cè)功能為一體的上肢智能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，本文結(jié)合臨床要求，利用5-DO

4、F上肢康復(fù)機(jī)器人構(gòu)建具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的智能上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，給出總體框架結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組成，并詳細(xì)闡述了功能評(píng)價(jià)、訓(xùn)練執(zhí)行及信息檢測(cè)三個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、主要功能及相互關(guān)系。
　　(3)5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人模型研究?；贒-H表示法建立5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以及基于反變換法建立5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，為后續(xù)動(dòng)力學(xué)模型的建立奠定基礎(chǔ);提出一種拉格朗日動(dòng)力學(xué)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，給出新的動(dòng)力學(xué)方程，根據(jù)電機(jī)、傳動(dòng)設(shè)備

5、的性能要求建立5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，并討論模型中的各種不確定因素，計(jì)算結(jié)果表明，該簡(jiǎn)化計(jì)算方法大大提高了建模速度;將系統(tǒng)的特征規(guī)律和物理構(gòu)成有機(jī)結(jié)合，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人三維運(yùn)動(dòng)模型;在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行可視化仿真，不僅充分驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，而且直觀、真實(shí)的展現(xiàn)了5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)行過程。
　　(4)上肢康復(fù)機(jī)器人控制策略的研究。依據(jù)上肢康復(fù)機(jī)器人

6、的訓(xùn)練方式，針對(duì)5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人模型中不確定性問題，提出具有多周期輸入信號(hào)的5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人H∞狀態(tài)反饋魯棒重復(fù)控制，使5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)既有高精度的跟蹤性能又具備較強(qiáng)的魯棒穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，該方法能夠達(dá)到高精度快速跟蹤的目的且系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無差跟蹤控制。
　　(5)上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)方法的研究。根據(jù)臨床運(yùn)動(dòng)功能的評(píng)價(jià)方法及結(jié)果，針對(duì)康復(fù)評(píng)價(jià)中專家評(píng)分差異性的問題，將決策分析中常用的

7、層次分析法與模糊分析法相結(jié)合，提出一種將定性定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化的自校正AHP-模糊分析的評(píng)價(jià)方法。本文將自校正AHP-模糊分析的評(píng)價(jià)法應(yīng)用于5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)中，將臨床運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，制定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，包括:肌力及關(guān)節(jié)活動(dòng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)、平衡功能評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)調(diào)性功能評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)等，并確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的遞階層次關(guān)系及評(píng)語體系，建立5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能綜合評(píng)價(jià)