下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方法研究.pdf

1、獲得及時(shí)且有效的康復(fù)訓(xùn)練已成為偏癱或者截癱病人的迫切需求，然而康復(fù)醫(yī)師匱乏、康復(fù)設(shè)備落后卻是患者康復(fù)的主要障礙。因此，如何設(shè)計(jì)一款可以替代康復(fù)醫(yī)師對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人并制定有效的康復(fù)訓(xùn)練控制方法是目前亟待解決的難題。
　　本研究主要內(nèi)容包括；⑴根據(jù)人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究，制定下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人擬人化設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，主要包括關(guān)節(jié)自由度的分配以及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍的確定。通過(guò)下肢外骨骼構(gòu)型的對(duì)比分析，提出一種新型的構(gòu)型方式驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)

2、，并基于模塊化的設(shè)計(jì)思想完成了6自由度下肢外骨骼機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，基于彈性梁結(jié)構(gòu)與力傳感器，設(shè)計(jì)了一種新型人機(jī)交互接口結(jié)構(gòu)，可有效獲取人機(jī)交互力信息，為控制方法研究提供基礎(chǔ)。此外，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證了零部件在強(qiáng)度和剛度方面滿足設(shè)計(jì)要求。⑵建立下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析末端位姿與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。另外，根據(jù)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的特點(diǎn)將行走過(guò)程劃分為站立相和擺動(dòng)相，應(yīng)用Lagrange法對(duì)兩種相位分別建立動(dòng)

3、力學(xué)模型，并利用ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模為關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃、電機(jī)選型和控制算法的研究提供了重要依據(jù)和理論基礎(chǔ)。⑶利用Motion Analysis運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)人體步態(tài)進(jìn)行采集，經(jīng)濾波、平滑處理獲得機(jī)器人的參考軌跡。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)患者的不同康復(fù)階段，分別提出了被動(dòng)與主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練控制方法，使患者能夠循序漸進(jìn)地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。在康復(fù)前期，采用自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制算法進(jìn)行軌跡跟蹤控制，并用Lyapunov-l

4、ike復(fù)合能量函數(shù)驗(yàn)證了控制器的穩(wěn)定性，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制算法具有良好的跟蹤性能。在康復(fù)中后期，提出模糊自適應(yīng)阻抗控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)患者主動(dòng)輔助訓(xùn)練，可根據(jù)每個(gè)周期的絕對(duì)平均人機(jī)交互作用力、軌跡跟蹤絕對(duì)平均偏差值以及調(diào)整軌跡與安全墻重疊率來(lái)評(píng)價(jià)患者病情，進(jìn)而調(diào)整下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的柔順性。⑷搭建下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)與機(jī)器人樣機(jī)功能測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于步態(tài)軌跡跟蹤控制方法的患者被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，以及