行走輔助訓(xùn)練機(jī)器人研究.pdf

1、行走輔助訓(xùn)練機(jī)器人是一種能夠幫助具有運(yùn)動(dòng)功能障礙患者和老年人進(jìn)行輔助行走的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，在控制下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)符合正常步態(tài)的同時(shí)，控制骨盆的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并與下肢步態(tài)相協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練者自身平衡功能，達(dá)到更好的助行訓(xùn)練目標(biāo)。研究行走輔助訓(xùn)練機(jī)器人對開展康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)、提高患者和老年人的生活質(zhì)量具有重要意義，也符合國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要要求。
　　 本文在“863”重點(diǎn)課題“多功能助行康復(fù)機(jī)器人”項(xiàng)目資助下，針對行走輔

2、助訓(xùn)練機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)機(jī)構(gòu)學(xué)特性和控制策略進(jìn)行了理論分析和仿真研究，并研制了行走輔助訓(xùn)練機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，基于dSPACE半物理仿真平臺對機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
　　 在綜合分析了國內(nèi)外有關(guān)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和骨盆運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種行走輔助訓(xùn)練機(jī)器人，該機(jī)器人包括串并聯(lián)欠驅(qū)動(dòng)骨盆運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和繩索牽引下肢運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制和骨盆運(yùn)動(dòng)控制，且允許訓(xùn)練者的主動(dòng)性運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人更好地滿

3、足訓(xùn)練安全性要求。
　　 針對骨盆運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，通過建立完全驅(qū)動(dòng)情況下的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，規(guī)劃操作端運(yùn)動(dòng)軌跡，并對欠驅(qū)動(dòng)情況下的控制輸出進(jìn)行精度分析。在此基礎(chǔ)上分析了機(jī)構(gòu)慣性對驅(qū)動(dòng)特性的影響，規(guī)劃了期望軌跡下的驅(qū)動(dòng)力矩，仿真研究了對中約束彈簧剛度和預(yù)緊力對骨盆運(yùn)動(dòng)特性的影響。針對下肢運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，利用影響系數(shù)法分析了繩索運(yùn)行速度、加速度與髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)運(yùn)行速度、加速度之間的映射關(guān)系，并通過機(jī)構(gòu)仿真手段規(guī)劃了期望軌跡的繩索運(yùn)動(dòng)輸出；

4、利用約束法建立了系統(tǒng)力螺旋平衡方程，基于達(dá)朗伯原理分析了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，通過廣義逆求得繩索拉力解，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇和驅(qū)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。
　　 考慮行走輔助訓(xùn)練機(jī)器人是多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，且具有強(qiáng)耦合的動(dòng)力學(xué)特性。在分析魯棒跟蹤控制策略特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出魯棒跟蹤控制策略實(shí)現(xiàn)對行走輔助訓(xùn)練機(jī)器人的跟蹤控制。由于行走輔助訓(xùn)練機(jī)器人下肢運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型的建模的不準(zhǔn)確和受到外界干擾，將行走輔助訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)考慮為一類不確定性線

5、性系統(tǒng)，將系統(tǒng)的不確定性假設(shè)滿足廣義的匹配條件，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)魯棒跟蹤控制器。通過對下肢運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的軌跡魯棒跟蹤控制仿真，分析了系統(tǒng)控制精度，證明了魯棒跟蹤控制策略的可行性。
　　 根據(jù)行走輔助訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案，研制了行走輔助訓(xùn)練機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。以dSPACE半物理仿真平臺作為控制系統(tǒng)的上位機(jī)，對骨盆運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行了電動(dòng)缸實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析；對下肢運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)在確定控制器參數(shù)基礎(chǔ)上