臥式下肢康復(fù)機(jī)器人研究.pdf

1、近年來,隨著人們生活水平的提高和飲食結(jié)構(gòu)的改變,腦血管病在世界上大多數(shù)國家已成為多發(fā)病,其發(fā)病率明顯增高并日趨年輕化,目前已被公認(rèn)是危及人類生命的主要疾病之一。腦血管病患者在病情穩(wěn)定后,受到損害的神經(jīng)會開始逐漸恢復(fù),但是這種自然恢復(fù)的過程很慢,并且不能完全恢復(fù)。神經(jīng)科學(xué)家和康復(fù)醫(yī)學(xué)家在長期臨床實(shí)踐中,發(fā)現(xiàn)腦在損傷后,通過康復(fù)訓(xùn)練可以使神經(jīng)系統(tǒng)完成功能重組和代償,恢復(fù)肢體失去的運(yùn)動功能,改善患者的生活自理能力?？祻?fù)機(jī)器人是輔助肢體運(yùn)動功能

2、障礙患者完成臨床上要求的康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容,并能向患者和治療師提供反饋信息的輔助康復(fù)治療自動化設(shè)備。與傳統(tǒng)治療方式相比,機(jī)器人輔助治療既能保證訓(xùn)練強(qiáng)度和康復(fù)效率,又能對康復(fù)過程和康復(fù)效果進(jìn)行客觀評價,因此,康復(fù)機(jī)器人越來越多的受到人們的關(guān)注,在康復(fù)工程與康復(fù)醫(yī)學(xué)方面具有很好的應(yīng)用前景。
　　 本文是在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目:下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究(60575053)的資助下,針對如何利用下肢康復(fù)機(jī)器人,使腦血管病所導(dǎo)致的下肢運(yùn)動

3、功能障礙患者實(shí)現(xiàn)運(yùn)動功能的康復(fù)問題,在人機(jī)系統(tǒng)的康復(fù)運(yùn)動規(guī)劃、人體下肢動力學(xué)分析、康復(fù)策略等方面進(jìn)行了較深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 綜述了國內(nèi)外臥式下肢康復(fù)機(jī)器人及相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,在對現(xiàn)有臥式下肢康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)、工作原理以及控制策略進(jìn)行分析和比較的基礎(chǔ)上,依據(jù)運(yùn)動康復(fù)機(jī)理,提出了一種新型臥式下肢康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)方案,設(shè)計了機(jī)器人的控制方案。該機(jī)器人適合于不同身高和體重的患者使用,可以根據(jù)不同階段的康復(fù)目的提供臨床上所

4、需要的訓(xùn)練模式。
　　 對臥式下肢康復(fù)機(jī)器人人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行正逆運(yùn)動學(xué)分析,確定了機(jī)器人系統(tǒng)的工作空間。利用MATLAB/SimMechanics軟件對正逆運(yùn)動學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn),驗(yàn)證了模型的正確性。從不同康復(fù)階段的訓(xùn)練需求出發(fā),對下肢關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行規(guī)劃,以人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)模型為基礎(chǔ),獲得對康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃,為提高康復(fù)效率及重建正常的行走運(yùn)動模式打下基礎(chǔ)。
　　 利用拉格朗日法和牛頓-歐拉法分別建立了人體下肢動力學(xué)模型、機(jī)

5、器人動力學(xué)模型和人機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)模型。通過實(shí)驗(yàn)研究分析了人體動力學(xué)模型中的彈簧系數(shù)和阻尼系數(shù),并對下肢的康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行仿真研究,獲得了康復(fù)過程中人機(jī)系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù),一方面根據(jù)人體生物力學(xué)數(shù)據(jù)來評估患者康復(fù)訓(xùn)練的安全性和舒適性,另一方面為控制系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。
　　 根據(jù)腦血管病后患者的康復(fù)治療過程選擇了主被動控制策略和助力運(yùn)動控制策略,利用位置控制、阻抗控制、模糊變阻抗控制三種控制方法實(shí)現(xiàn)臨床上所需要的被動訓(xùn)練、主動訓(xùn)練和主

6、被動訓(xùn)練模式,利用電流環(huán)控制方法實(shí)現(xiàn)助力訓(xùn)練模式。建立了基于MATLAB/Simulink的控制仿真模型,對控制策略進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明各種控制策略的可行性和有效性,為實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。
　　 研制了臥式下肢康復(fù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī),介紹了機(jī)器人的測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。利用dSPACE平臺對人體下肢的康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,包括被動訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)、助力訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)、主動訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)、模擬痙攣實(shí)驗(yàn)以及主被動實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了機(jī)器人機(jī)構(gòu)的合理性