手部外骨骼系統(tǒng)基礎理論及其控制技術(shù)研究.pdf

1、手部外骨骼系統(tǒng)為腦卒中患者的手部康復治療提供了一種新方法，為了實現(xiàn)手部外骨骼靈巧的自由度布局和適應人手動作任務復雜多變的運動要求，開展手部外骨骼的結(jié)構(gòu)設計、運動控制、人機接觸接觸力控制及應用等關鍵技術(shù)研究具有重要的意義。
　　作為人體最為靈巧的部位，手部在有限空間內(nèi)分布了多達22個自由度，手部外骨骼的仿生設計難以實現(xiàn)全部自由度，通過對人手運動的解剖學機理研究，采用3指10自由度人手抓握方案，設計手部外骨骼仿生結(jié)構(gòu)。根據(jù)相應的D-H

2、連桿模型和傳動機構(gòu)的機構(gòu)學，獲得手部外骨骼的機構(gòu)運動學和關節(jié)運動學正解，并進一步求導得到雅克比矩陣，借助建立手部外骨骼系統(tǒng)驅(qū)動空間、關節(jié)空間以及指尖笛卡爾空間的運動學和力學變換關系，從而得到手部外骨骼的整理動力學模型。
　　針對人機接觸作用力在實際應用中表現(xiàn)出顯著的非線性和時變性的特點，建立人機接觸力學阻抗模型，采用遺忘因子遞推最小二乘法對模型中的參數(shù)進行辨識，通過不同姿態(tài)下的試驗獲得人機接觸模型的參數(shù)攝動信息，為手部外骨骼的控制

3、提供有效的控制對象模型。借鑒機器人阻抗控制方法，獲得基于位置控制的手部外骨骼阻抗控制模型，以此作為基礎開展接觸力控制研究。本文針對此類非線性、時變對象，就魯棒控制方法和自適應控制方法進行了研究分析，分別從解決不確定性系統(tǒng)問題的思路出發(fā)，提出了基于阻抗控制的魯棒控制方法;從自適應控制的思路出發(fā)，提出了模型預測參考自適應控制方法。實驗結(jié)果表明了這兩種方法的有效性，也揭示了兩者的特點，魯棒控制器具備更好的調(diào)整能力、快速性，而模型預測參考自適應

4、控制器則更加符合人機接觸阻抗特性，接觸過程更加柔和。
　　為了讓中風患者的肢體肌肉得到牽引訓練的同時，大腦也得到可塑性訓練，本文將運動想象的腦電信號處理技術(shù)與手部外骨骼控制技術(shù)相結(jié)合，對基于運動想象的腦電信號意圖處理分離，采用快速獨立分量分析的方法，將提取出的運動意圖特征信號作為手部運動規(guī)劃層，以手部外骨骼人機接觸控制系統(tǒng)作為控制層，進行具體動作的解算、控制，并通過CAN總線傳遞至執(zhí)行層，驅(qū)動外骨骼進行康復訓練，實驗驗證了該應用方