下肢外骨骼康復機器人結構設計及控制方法研究.pdf

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

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

3、力學模型，并利用ADAMS軟件進行仿真分析，驗證模型的準確性。運動學與動力學建模為關節(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和理論基礎。⑶利用Motion Analysis運動捕捉系統(tǒng)對人體步態(tài)進行采集，經濾波、平滑處理獲得機器人的參考軌跡。在此基礎上，根據患者的不同康復階段，分別提出了被動與主動康復訓練控制方法，使患者能夠循序漸進地進行康復訓練。在康復前期，采用自適應迭代學習控制算法進行軌跡跟蹤控制，并用Lyapunov-l

4、ike復合能量函數驗證了控制器的穩(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。在康復中后期，提出模糊自適應阻抗控制算法來實現患者主動輔助訓練，可根據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整軌跡與安全墻重疊率來評價患者病情，進而調整下肢外骨骼康復機器人的柔順性。⑷搭建下肢外骨骼康復機器人實驗平臺，進行控制系統(tǒng)軟、硬件設計與機器人樣機功能測試。在此基礎上，進行了基于步態(tài)軌跡跟蹤控制方法的患者被動康復訓練，以及