基于sEMG信號(hào)的外骨骼式機(jī)器人上肢康復(fù)系統(tǒng)研究.pdf

1、上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是醫(yī)療機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它以偏癱上肢的運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)理論為依據(jù)，融合了康復(fù)醫(yī)學(xué)、人體解剖學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及機(jī)器人學(xué)等諸多學(xué)科技術(shù)，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。康復(fù)機(jī)器人作為以人體，尤其是以病患個(gè)體為作用對(duì)象，輔助或替代醫(yī)師執(zhí)行患肢康復(fù)訓(xùn)練為目的的機(jī)器人系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，在實(shí)現(xiàn)基本功能的條件下，其設(shè)計(jì)和控制須充分考慮人體安全性、臨床操作的可行性、系統(tǒng)功效性、患者可接受性及患者主動(dòng)參與性等因素。論文在黑龍江省科

2、技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目支持下，針對(duì)臨床康復(fù)應(yīng)用需求，對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)、上肢康復(fù)機(jī)器人的表面肌電控制、上肢康復(fù)機(jī)器人的力控制及偏癱上肢康復(fù)訓(xùn)練策略等方面進(jìn)行研究，為康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及康復(fù)訓(xùn)練奠定理論及技術(shù)基礎(chǔ)。
　　論文首先以人體上肢解剖學(xué)及運(yùn)動(dòng)理論為依據(jù)，從臨床康復(fù)的安全性、有效性、實(shí)用性及舒適性角度提出對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)、控制、傳感器等方面的設(shè)計(jì)要求。結(jié)合臨床應(yīng)用設(shè)計(jì)適用于不同身高、不同患側(cè)、不同損傷程度的上肢偏癱患者的新型

3、5DOF外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述其機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制體系、驅(qū)動(dòng)硬件、傳感器的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。
　　表面肌電信號(hào)作為神經(jīng)—肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)富含了肌肉的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，因此將表面信號(hào)引入康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人體上肢運(yùn)動(dòng)的辨識(shí)，預(yù)測(cè)人體主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖。首先，基于表面肌電信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)假設(shè)，提出了表面肌電信號(hào)的分段自回歸建模方法，并利用主成分分析與多特征融合實(shí)現(xiàn)四通道表面肌電信號(hào)的特征提取。通過不同樣本集訓(xùn)練條件下的單一BP神

4、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以錯(cuò)誤率和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練迭代次數(shù)為指標(biāo)，證明了提出的特征提取算法較傳統(tǒng)自回歸模型描述方法更具有優(yōu)越性，并得到了提出的特征提取算法在非線性特征空間可分性更強(qiáng)的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)單一 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的識(shí)別率不穩(wěn)定特點(diǎn)，基于 Adaboost集成分類思想提出度量輸出信息自適應(yīng)加權(quán)的表面肌電動(dòng)作模式集成分類算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明集成分類器由于綜合考慮了多個(gè)基分類器間的互補(bǔ)信息，較單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器具有更強(qiáng)的泛化、推廣能力，可提

5、高康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)人體上肢運(yùn)動(dòng)意愿的判斷準(zhǔn)確率。
　　上肢主動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)偏癱患者的康復(fù)進(jìn)程具有較強(qiáng)的推動(dòng)作用，而關(guān)節(jié)力矩信號(hào)是康復(fù)過程中人體上肢主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖的直接體現(xiàn)。基于阻抗控制理論研究基于關(guān)節(jié)力矩信號(hào)的上肢主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練方法。首先建立上肢康復(fù)機(jī)器人靜力學(xué)模型，研究關(guān)節(jié)力矩電壓信號(hào)的預(yù)處理及空載力矩去除方法。然后根據(jù)末端力阻尼控制策略和關(guān)節(jié)剛度控制策略提出“阻尼式”和“彈簧式”兩種上肢主動(dòng)訓(xùn)練策略：阻尼式上肢康復(fù)訓(xùn)練將“人—機(jī)”作用關(guān)

6、系建模為機(jī)械阻尼，患者上肢主動(dòng)運(yùn)動(dòng)、康復(fù)機(jī)器人被動(dòng)跟隨并以速度阻尼形式為人體上肢提供康復(fù)所需的運(yùn)動(dòng)阻力；“彈簧式”主動(dòng)抗阻訓(xùn)練中康復(fù)機(jī)器人以關(guān)節(jié)彈簧形式為上肢偏癱患者提供剛性抗阻力，通過設(shè)置虛擬彈簧的剛度系數(shù)，可以達(dá)到患者“拉”動(dòng)不同剛度的虛擬彈簧的訓(xùn)練效果。
　　針對(duì)臨床偏癱患者的康復(fù)進(jìn)程提出進(jìn)階交互式上肢康復(fù)訓(xùn)練策略。康復(fù)早期采用基于表面肌電信號(hào)的自主性被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，訓(xùn)練方式為患者健側(cè)上肢控制患側(cè)上肢，達(dá)到雙臂鏡像協(xié)調(diào)訓(xùn)練的目