站立康復(fù)功能輔助機(jī)器人系統(tǒng)的控制及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)：TP29學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書(shū)分類號(hào)：681.51密級(jí)：公開(kāi)工學(xué)博士學(xué)位論文站立康復(fù)功能輔助機(jī)器人系統(tǒng)的控制及其關(guān)鍵技術(shù)研究博士研究生：王志強(qiáng)導(dǎo)師：姜洪源教授副導(dǎo)師：RomanKamnik教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論所在單位：機(jī)電工程學(xué)院答辯日期：2014年3月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要I摘要站立是日常生活中重復(fù)最多的運(yùn)動(dòng)之一，但對(duì)于下肢癱瘓或肌肉受損、脊髓受損（SpinalCdInjury，S

2、CI）、脊髓灰質(zhì)炎后遺癥患者以及下肢肌力不足的老年人患者卻無(wú)法完成。輔助站立機(jī)器人是基于康復(fù)技術(shù)，集成了控制、信息、機(jī)械、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科的前沿課題。本研究工作以輔助站立機(jī)器人為基礎(chǔ)，從機(jī)器人的設(shè)計(jì)、工作原理、多模式控制和建立人體站立模型等方面進(jìn)行了研究。由試驗(yàn)和仿真結(jié)果可知，該系統(tǒng)能夠輔助人體沿期望軌跡完成站立康復(fù)訓(xùn)練，人體可主動(dòng)參與站立并可控制質(zhì)心動(dòng)量，達(dá)到了患者為主和機(jī)器人為輔的訓(xùn)練目標(biāo)。本文首先介紹了患者無(wú)法站立的原因和輔助站立機(jī)器

3、人系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分別從硬件系統(tǒng)的選擇和組成以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)等角度說(shuō)明各部分的工作原理和主要作用。其次，為了分析輔助站立過(guò)程中人體的動(dòng)力學(xué)特性，建立了矢狀面內(nèi)人體站立動(dòng)態(tài)模型。該模型可結(jié)合逆動(dòng)力學(xué)算法、人體測(cè)量學(xué)參數(shù)和傳感器系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)人體下肢的關(guān)節(jié)力矩。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)比模擬與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的可行性。最后，通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法建立了系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程。試驗(yàn)與仿真結(jié)果表明，該算法實(shí)現(xiàn)

4、了傳感器系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)的融合。輔助站立機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡決定了人體站立效果，而末端執(zhí)行器的位置由兩個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)共同決定。因此本文對(duì)輔助站立機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的位置控制方法進(jìn)行了深入研究。當(dāng)采用位置速度反饋控制時(shí)，雖然滑動(dòng)關(guān)節(jié)位置精度較高，但旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位置誤差較大，而采用速度前饋控制可同時(shí)提高旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與滑動(dòng)關(guān)節(jié)的位置精度。在此基礎(chǔ)上對(duì)輔助機(jī)器人的軌跡追蹤算法進(jìn)行了研究。首先推導(dǎo)得出了操作空間內(nèi)末端執(zhí)行器位置與各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)變量的

5、函數(shù)關(guān)系。其次，通過(guò)所建立的仿真平臺(tái)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果驗(yàn)證了軌跡追蹤算法的有效性及梯形速率的合理性。為了實(shí)現(xiàn)患者主動(dòng)參與站立為主，機(jī)器人為輔的目的。本文對(duì)患者站立所需輔助力進(jìn)行了研究，并分析了不同輔助力的作用。推導(dǎo)得出了機(jī)器人輔助站立時(shí)人體力與力矩平衡方程，并結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波算法建立了仿真模型和力控制器。最后搭建了機(jī)器人力控制的測(cè)試平臺(tái)。模擬與測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所建模型和控制器的合理性與可行性。采用力控制模式可有效減小人機(jī)