基于外骨骼機器人技術的人體手臂震顫抑制關鍵技術研究.pdf

1、震顫是人體某個或多個功能區(qū)肌肉的有節(jié)律性、近似正弦往返擺動的肢體運動，是關節(jié)周圍肌肉收縮和松弛的動力狀態(tài)。作為最為普遍的運動障礙之一，震顫常見于人的肢體特別是手臂，影響精細動作、書寫和餐飲，嚴重時可對病人的日常生活、工作、社會交往等帶來諸多不便。盡管人類對于震顫發(fā)生機理及其藥物治療等方面的研究已經進行幾十年，但其研究還處于初期的探索階段，多數類型的震顫運動的機理和起源至今尚未明確。目前的研究水平下，“對癥下藥”的藥物治療方法顯得“力不從

2、心”，在較短時間內開發(fā)出抑制患者震顫的普適性藥物較為困難，而震顫帶給患者諸如精細動作、書寫和餐飲等日常生活的不便問題短期內很難得到解決。因此，本文試圖通過新的途徑（非藥物治療方面）對震顫及其抑制開展研究，利用機器人技術解決震顫患者的生活不便等問題。本文從震顫運動發(fā)生的“表象”--震顫信號出發(fā)，綜合利用機器人技術，提出一種基于生物力加載技術的震顫補償與抑制的控制策略；設計一款可以穿套在患者前臂的可穿戴型震顫抑制機器人裝置。本文并不是試圖研

3、究震顫運動發(fā)生的本質，而是以抑制震顫運動為目標，重點研究震顫運動信號檢測、震顫信號處理與評估、震顫抑制策略與安全性評估等方面，旨在為提高手臂震顫患者的生活質量提供一種新途徑。全文的主要研究工作概括如下：
　　 “非藥物”抑制人體手臂震顫的理論和方法綜述。全面回顧了國內外手臂震顫抑制的研究現狀。詳細闡述“非藥物”抑制人體手臂震顫的基礎理論和系統框架：對震顫信號的檢測方法、震顫信號的分析與處理方法、震顫信號的工程建模以及震顫信號的生

4、物力加載抑制方法等四個方面做了較為詳細的介紹和討論，為后續(xù)章節(jié)的論述提供了理論指導和依據。
　　 震顫信號的檢測、分析與處理方法研究。設計用于采集和處理震顫信號的可穿戴型手臂檢測裝置，包括固定在肘關節(jié)和腕關節(jié)的慣性傳感器系統、加速度傳感器和表面肌肉電信號系統。針對震顫信號的非平穩(wěn)性特征，提出一種基于希爾伯特一黃變換方法的手臂震顫信號分析與處理方法，獲取震顫信號的幅值和頻率的時變信息。闡述HHT方法的提出背景、理論以及計算原理，重

5、點研究手臂震顫信號的EMD分解和Hilbert譜的構建過程。研究手臂震顫信號的HHT識別方法和步驟。探討HHT方法的自身局限性：端點飛翼問題、模態(tài)混淆以及實時性問題。
　　 針對利用機器人技術抑制人體手臂震顫的性能需求進行分析，設計一款三自由度全驅動的可穿戴型手臂震顫抑制機器人。通過研究人體手臂的生理學特征，構建實用的三自由度人體手臂生物力學模型，探討利用機器人技術進行手臂震顫抑制等方面的可行性。研究該機器人系統的體系結構與模型

6、，詳細闡述可穿戴型外骨骼系統和震顫運動檢測系統的設計與分析。最后，利用Adams虛擬樣機技術分別對該機器人系統進行運動學和動力學建模與仿真。
　　 提出兩種震顫抑制控制策略：基于阻抗控制的“被動”震顫抑制控制策略和基于震顫補償的“主動”震顫抑制控制策略。研究人體手臂與可穿戴型外骨骼機器人之間的交互作用問題，并構建基于阻抗特性的人-機交互模型。探討基于機器人技術的人體手臂震顫抑制的數學模型和機理分析，構建手臂震顫抑制的動力學模型。

7、在此基礎上，提出以上兩種基于生物力加載技術的震顫抑制控制策略，并詳細闡述這兩種震顫抑制策略的控制原理和設計過程。最后，就有關于震顫抑制策略的評定問題展開討論，并把震顫抑制前后的信號能量比作為震顫抑制策略的評估標準。
　　 最后，通過實驗驗證可穿戴型手臂震顫抑制機器人在抑制人體手臂震顫方面的有效性。重點闡述如下實驗：基于Hilbert-Huang變換的手臂震顫信號處理，基于肌肉電信號的腕關節(jié)跟隨運動實驗和手臂震顫抑制實驗分析與處理

8、。設計可以模擬人體手臂震顫運動的機器人裝置，用來模擬頻率在0-20Hz的兩自由度震顫運動，有效的解決由于安全和技術原因無法多次在真實的震顫患者身上驗證震顫策略的問題。詳細闡述利用可穿戴型手臂震顫抑制裝置對手臂震顫進行抑制的實驗程序、人員、過程、條件和方法，并對實際數據進行分析。實驗結果表明，該機器人可以抑制頻率在0-20Hz的震顫運動。另外，震顫抑制前后的功率譜對比圖顯示，基于生物力加載技術的震顫抑制策略對于人體手臂震顫的抑制是有一定效