下肢外骨骼康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制方法研究.pdf

1、獲得及時且有效的康復(fù)訓(xùn)練已成為偏癱或者截癱病人的迫切需求，然而康復(fù)醫(yī)師匱乏、康復(fù)設(shè)備落后卻是患者康復(fù)的主要障礙。因此，如何設(shè)計一款可以替代康復(fù)醫(yī)師對患者進行康復(fù)訓(xùn)練的機器人并制定有效的康復(fù)訓(xùn)練控制方法是目前亟待解決的難題。
　　本研究主要內(nèi)容包括；⑴根據(jù)人體下肢運動機理研究，制定下肢外骨骼康復(fù)機器人擬人化設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)，主要包括關(guān)節(jié)自由度的分配以及關(guān)節(jié)運動范圍的確定。通過下肢外骨骼構(gòu)型的對比分析，提出一種新型的構(gòu)型方式驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動

2、，并基于模塊化的設(shè)計思想完成了6自由度下肢外骨骼機器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，基于彈性梁結(jié)構(gòu)與力傳感器，設(shè)計了一種新型人機交互接口結(jié)構(gòu)，可有效獲取人機交互力信息，為控制方法研究提供基礎(chǔ)。此外，對關(guān)鍵零部件進行靜力學(xué)分析，驗證了零部件在強度和剛度方面滿足設(shè)計要求。⑵建立下肢外骨骼康復(fù)機器人正、逆運動學(xué)模型，分析末端位姿與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。另外，根據(jù)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的特點將行走過程劃分為站立相和擺動相，應(yīng)用Lagrange法對兩種相位分別建立動

3、力學(xué)模型，并利用ADAMS軟件進行仿真分析，驗證模型的準(zhǔn)確性。運動學(xué)與動力學(xué)建模為關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃、電機選型和控制算法的研究提供了重要依據(jù)和理論基礎(chǔ)。⑶利用Motion Analysis運動捕捉系統(tǒng)對人體步態(tài)進行采集，經(jīng)濾波、平滑處理獲得機器人的參考軌跡。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)患者的不同康復(fù)階段，分別提出了被動與主動康復(fù)訓(xùn)練控制方法，使患者能夠循序漸進地進行康復(fù)訓(xùn)練。在康復(fù)前期，采用自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制算法進行軌跡跟蹤控制，并用Lyapunov-l

4、ike復(fù)合能量函數(shù)驗證了控制器的穩(wěn)定性，通過仿真實驗驗證了控制算法具有良好的跟蹤性能。在康復(fù)中后期，提出模糊自適應(yīng)阻抗控制算法來實現(xiàn)患者主動輔助訓(xùn)練，可根據(jù)每個周期的絕對平均人機交互作用力、軌跡跟蹤絕對平均偏差值以及調(diào)整軌跡與安全墻重疊率來評價患者病情，進而調(diào)整下肢外骨骼康復(fù)機器人的柔順性。⑷搭建下肢外骨骼康復(fù)機器人實驗平臺，進行控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計與機器人樣機功能測試。在此基礎(chǔ)上，進行了基于步態(tài)軌跡跟蹤控制方法的患者被動康復(fù)訓(xùn)練，以及