基于多點(diǎn)連續(xù)肌電控制的仿生康復(fù)手關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、仿生康復(fù)是現(xiàn)階段康復(fù)醫(yī)學(xué)及康復(fù)器械研究領(lǐng)域的核心思想。傳統(tǒng)的康復(fù)器械，尤其是針對手部的康復(fù)器械，存在結(jié)構(gòu)簡單、自由度少、控制策略單一、運(yùn)動(dòng)模式少以及適應(yīng)性、靈活性較弱等不足之處，限制了手部康復(fù)器的進(jìn)一步發(fā)展和深入研究。本文設(shè)計(jì)的仿生康復(fù)手是一種模擬人手布局、結(jié)構(gòu)、尺寸，具有多自由度、多種彎曲關(guān)節(jié)的，采用多點(diǎn)連續(xù)肌電控制的新型手部康復(fù)器，其結(jié)構(gòu)的靈活性和適應(yīng)性，控制策略的連續(xù)性仿生性，積極推動(dòng)手部康復(fù)器的研究和發(fā)展，具有研究意義與應(yīng)用價(jià)值

2、。
　　隨著科技的發(fā)展和患者需求的提高，依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)剛性結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)康復(fù)手在研究和應(yīng)用兩方面都出現(xiàn)了瓶頸。仿生康復(fù)概念的提出，為手部康復(fù)器的研究提供了新的理論基礎(chǔ)，指出新的研究方向。本文總結(jié)了現(xiàn)有康復(fù)手的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出一種氣體驅(qū)動(dòng)剛?cè)嵝越Y(jié)構(gòu)的新型仿生康復(fù)手，具有良好的被動(dòng)柔性，同時(shí)在控制策略方面彌補(bǔ)了現(xiàn)有康復(fù)手的不足，提高了仿生效果。
　　本文主要完成的研究工作如下:
　　(1)根據(jù)人類手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性對關(guān)節(jié)彎曲

3、性能的不同要求及關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)大小的限制，設(shè)計(jì)具有兩種類型彎曲關(guān)節(jié)、兩個(gè)自由度的仿生康復(fù)手單指基本結(jié)構(gòu)，和具有五個(gè)手指、十個(gè)自由度的仿生康復(fù)手本體結(jié)構(gòu)。以人手布局和實(shí)際尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化仿生康復(fù)手的整體布局方案和結(jié)構(gòu)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)仿生康復(fù)手的總體控制方案?？偨Y(jié)了本文設(shè)計(jì)的仿生康復(fù)手的特色之處。
　　(2)設(shè)計(jì)了采用雙氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的、模擬人手指關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)的新型氣動(dòng)彎曲關(guān)節(jié)。基于靜力學(xué)和彈性力學(xué)理論，對關(guān)節(jié)FPA的活動(dòng)端進(jìn)行力

4、平衡分析，建立關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的靜態(tài)模型，分析關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其彎曲性能的影響;對靜態(tài)模型進(jìn)行了簡化，并驗(yàn)證了其與理論模型的誤差;在簡化模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)熱力學(xué)第一定律和關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)方程，推導(dǎo)了關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角動(dòng)態(tài)方程組;仿真分析了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)與彎曲角度之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)FPA內(nèi)腔氣壓在0.1MPa～0.35MPa時(shí)，實(shí)際彎曲角度與理論值偏差較小;隨著FPA內(nèi)腔氣壓增大，偏差也隨之增大;當(dāng)達(dá)到理論最大氣壓時(shí)，偏差值為7.5°，偏差率為6.8％;

5、因此可以認(rèn)為，彎曲關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角靜態(tài)特性與理論模型基本吻合。
　　(3)基于稀疏理論，提出表面肌電信號的特征重構(gòu)算法。在正交匹配算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合以K-SVD算法構(gòu)造的自適應(yīng)原子庫，對表面肌電信信號進(jìn)行稀疏分解。根據(jù)稀疏參數(shù)與稀疏結(jié)果之間的關(guān)系，優(yōu)化稀疏結(jié)果。在特征重構(gòu)算法的基礎(chǔ)上，再次提取稀疏結(jié)果的特征參數(shù)并對其進(jìn)行重構(gòu)。對比特征參數(shù)曲線與手指關(guān)節(jié)實(shí)際彎曲角度，驗(yàn)證與人手實(shí)際角度變化規(guī)律的符合度，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ);通過與傳統(tǒng)平

6、均幅值算法處理結(jié)果的對比，驗(yàn)證本章提出的特征重構(gòu)算法的優(yōu)越性，并分析傳統(tǒng)算法處理效果欠佳的原因。
　　(4)基于幅值乘方理論，提出表面肌電信號的預(yù)處理算法。在表面肌電信號集中參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，分析算法的理論依據(jù)。根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和誤差反向傳播算法，設(shè)計(jì)了用于表面肌電信號模式識別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器。對比預(yù)處理前后信號特征參數(shù)的分類器訓(xùn)練結(jié)果及其識別率，驗(yàn)證預(yù)處理算法對信號特征的加權(quán)效果。在預(yù)處理算法的基礎(chǔ)上，對第四章的特征參數(shù)曲線

7、進(jìn)行了修正。
　　(5)在傳統(tǒng)肌電控制理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)仿生康復(fù)手的整體布局和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出多點(diǎn)連續(xù)肌電控制方法，模擬人手的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，詳細(xì)闡述了兩者的聯(lián)系和區(qū)別;詳細(xì)分析表面肌電信號特征參數(shù)與仿生康復(fù)手控制信號之間的映射關(guān)系，并提出其數(shù)學(xué)模型。在MATLAB和DELPHI編譯環(huán)境下，設(shè)計(jì)仿生康復(fù)手的控制系統(tǒng)。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成仿生康復(fù)手的系統(tǒng)控制效果實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)可以較好地識別出信號的動(dòng)作部位，其整體識別率為96.33％

8、，總體控制誤差穩(wěn)定在5％之內(nèi)，控制點(diǎn)的平均誤差值約為0.5087°，最大偏差控制在1°之內(nèi)。
　　本文設(shè)計(jì)的仿生康復(fù)手，采用本課題組自主研發(fā)的氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器FPA直接驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡單、便于控制、易于實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的小型化、具有良好的被動(dòng)柔性，同時(shí)仿生康復(fù)手的剛性結(jié)構(gòu)保證了其整體剛度。仿生康復(fù)手的多點(diǎn)連續(xù)肌電控制策略使其比傳統(tǒng)康復(fù)手更符合人手的自然運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)作習(xí)慣，更能體現(xiàn)仿生康復(fù)的概念。多點(diǎn)連續(xù)肌電控制策略不僅僅可以應(yīng)用于康復(fù)器械