手部外骨骼系統(tǒng)基礎(chǔ)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(fù)治療提供了一種新方法，為了實(shí)現(xiàn)手部外骨骼靈巧的自由度布局和適應(yīng)人手動(dòng)作任務(wù)復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)要求，開展手部外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)接觸接觸力控制及應(yīng)用等關(guān)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(dá)22個(gè)自由度，手部外骨骼的仿生設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)全部自由度，通過對(duì)人手運(yùn)動(dòng)的解剖學(xué)機(jī)理研究，采用3指10自由度人手抓握方案，設(shè)計(jì)手部外骨骼仿生結(jié)構(gòu)。根據(jù)相應(yīng)的D-H

2、連桿模型和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)學(xué)，獲得手部外骨骼的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，并進(jìn)一步求導(dǎo)得到雅克比矩陣，借助建立手部外骨骼系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)空間、關(guān)節(jié)空間以及指尖笛卡爾空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)變換關(guān)系，從而得到手部外骨骼的整理動(dòng)力學(xué)模型。
　　針對(duì)人機(jī)接觸作用力在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出顯著的非線性和時(shí)變性的特點(diǎn)，建立人機(jī)接觸力學(xué)阻抗模型，采用遺忘因子遞推最小二乘法對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，通過不同姿態(tài)下的試驗(yàn)獲得人機(jī)接觸模型的參數(shù)攝動(dòng)信息，為手部外骨骼的控制

3、提供有效的控制對(duì)象模型。借鑒機(jī)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(chǔ)開展接觸力控制研究。本文針對(duì)此類非線性、時(shí)變對(duì)象，就魯棒控制方法和自適應(yīng)控制方法進(jìn)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(yīng)控制的思路出發(fā)，提出了模型預(yù)測(cè)參考自適應(yīng)控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了這兩種方法的有效性，也揭示了兩者的特點(diǎn)，魯棒控制器具備更好的調(diào)整能力、快速性，而模型預(yù)測(cè)參考自適應(yīng)

4、控制器則更加符合人機(jī)接觸阻抗特性，接觸過程更加柔和。
　　為了讓中風(fēng)患者的肢體肌肉得到牽引訓(xùn)練的同時(shí)，大腦也得到可塑性訓(xùn)練，本文將運(yùn)動(dòng)想象的腦電信號(hào)處理技術(shù)與手部外骨骼控制技術(shù)相結(jié)合，對(duì)基于運(yùn)動(dòng)想象的腦電信號(hào)意圖處理分離，采用快速獨(dú)立分量分析的方法，將提取出的運(yùn)動(dòng)意圖特征信號(hào)作為手部運(yùn)動(dòng)規(guī)劃層，以手部外骨骼人機(jī)接觸控制系統(tǒng)作為控制層，進(jìn)行具體動(dòng)作的解算、控制，并通過CAN總線傳遞至執(zhí)行層，驅(qū)動(dòng)外骨骼進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該應(yīng)用方