手功能康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著偏癱患者數(shù)量的逐年增加，患者運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)越來越多地引起人們的重視。運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)對(duì)患者的日常生活能力影響很大，也是康復(fù)治療中難以解決的問題之一，已成為現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)和醫(yī)療工程的研究熱點(diǎn)?？祻?fù)機(jī)器人技術(shù)研究正是在這種需求形式下應(yīng)運(yùn)而生的一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域，涉及到機(jī)器人學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)、人體工程學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制理論及計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多領(lǐng)域。
　　 在國家863 課題和自然科學(xué)基金的資助下，本文以自行研制的穿戴式手功能康復(fù)機(jī)器人為基礎(chǔ)

2、，對(duì)其本體機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器的建模與控制、人手表面肌電信號(hào)的辨識(shí)等關(guān)鍵技術(shù)展開了深入的研究。本文主要的工作和貢獻(xiàn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　 分析和比較了現(xiàn)有的手功能康復(fù)設(shè)備，對(duì)人手的結(jié)構(gòu)與功能、手指的運(yùn)動(dòng)約束進(jìn)行了調(diào)查，并研究了具有代表性的食指生物力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上研究了手功能康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)臨床康復(fù)的需求，考慮穿戴的舒適性，安全性及運(yùn)動(dòng)的柔順性，設(shè)計(jì)了針對(duì)手指多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的機(jī)構(gòu)?；镜慕Y(jié)構(gòu)采用

3、連桿的外骨骼形式，驅(qū)動(dòng)器選用柔順性好的氣動(dòng)肌肉。搭建手功能康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了基本的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的有效性。同時(shí)，還提出了機(jī)構(gòu)改進(jìn)的方案，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)真正臨床實(shí)用化的手功能康復(fù)機(jī)器人奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　 針對(duì)手功能康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器——?dú)鈩?dòng)肌肉所組成的兩種不同形式的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行了分析和比較，說明氣動(dòng)肌肉_扭力彈簧驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)是一種有效的驅(qū)動(dòng)形式，非常適合于手功能康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用。由于氣動(dòng)肌肉具有很

4、強(qiáng)的時(shí)變和非線性特性，難以精確控制，因此，本文對(duì)氣動(dòng)肌肉的建模與控制進(jìn)行了深入的研究。首先通過實(shí)驗(yàn)對(duì)氣動(dòng)肌肉的“三元素”模型進(jìn)行了辨識(shí)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了滑?？刂破?，考慮到未建模的動(dòng)力學(xué)以及系統(tǒng)存在的不確定的擾動(dòng)，采用干擾觀測器對(duì)這些不確定的非線性擾動(dòng)進(jìn)行觀測，設(shè)計(jì)了基于非線性擾動(dòng)觀測器的滑模控制器，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)系統(tǒng)存在不確定的建模誤差和外部擾動(dòng)的情況下，設(shè)計(jì)的控制方法可以保證系統(tǒng)跟蹤性能要求。不同的制作工藝和材料特性會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)

5、肌肉具有不同的動(dòng)態(tài)特性，為了尋求更為通用和便捷的建模和控制方法，還采用一種新型的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——回聲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)氣動(dòng)肌肉進(jìn)行了建模，并基于回聲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制器，通過仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較，說明了方法的有效性。
　　 表面肌電信號(hào)反饋也是手功能康復(fù)機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分，可用于康復(fù)評(píng)價(jià)和肌電控制策略中的意圖檢測，因此，本文也對(duì)人手表面肌電信號(hào)的辨識(shí)進(jìn)行了較為深入的研究。采集人手做屈肘、伸肘、腕內(nèi)旋、腕外旋、展拳及握拳六種不

6、同動(dòng)作時(shí)的表面肌電信號(hào)，利用離散小波分解提取特征值。針對(duì)特征值，采用支持向量機(jī)進(jìn)行了分類，取得了很好的分類效果。通過與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的進(jìn)一步比較可以發(fā)現(xiàn)，支持向量機(jī)對(duì)小規(guī)模樣本的分類更加有效，具有同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類似的優(yōu)點(diǎn)，自動(dòng)提取分類信息和自動(dòng)特征選擇，且具有更好的泛化能力，容易實(shí)施和控制，不會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部極小和過學(xué)習(xí)的問題。
　　 最后，對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)，并指出了下一步需要進(jìn)行的工作。本博士論文通過深入研究手功能康復(fù)機(jī)器人系