软体外骨骼康复手系统设计与实现

作     者：袁路林 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈文斌

授予年度：2018年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：手部康复 软体机器人 滑模控制 有限元仿真 

摘      要：近年来,因中风及脑外伤等原因造成的手部运功功能障碍患者数量愈来愈多。手部运动功能障碍症严重影响了患者的日常生活和工作。手部外骨骼康复机器人是用来进行手部运动功能康复的重要装备,其通过辅助患者的手指进行弯曲和伸展运动,以及多指协调的功能性训练,来修复患者手部受损的运动功能。针对人手运动功能的康复需求,本文研究了一种可用于手部康复治疗的气动软体驱动器,开展了软体驱动器的结构参数与制作工艺研究,设计了软体驱动器的变结构控制器,构建了基于软体驱动器的背包式外骨骼手软硬件系统,开发了基于Android系统的人机交互软件。论文主要完成的工作及取得主要成果如下:(1)从运动机能学的角度分析了人手的骨骼结构和运动学特点,梳理了手部运动功能障碍患者的康复需求,确定了软体驱动器的运动范围和结构参数约束,建立了基于高分子硅胶材料的软体驱动器基材混合调控方法,提出了波纹半圆形柱型中空硅胶管的驱动器设计方案,通过仿真优化获得了软体驱动器的最佳结构参数,据此提出了软体驱动器的制作工艺流程以及位置传感器的集成方法,实现了软体驱动器驱动-感知的一体化设计。(2)针对气动软体驱动器的非线性和时滞性特征,结合柔性传感器的标定以及阶跃响应实验,研究了在不同气压下的软体驱动器动态响应特性,通过最小二乘法拟合辨识出软体驱动器的二阶动态响应模型参数,基于该模型构建了软体驱动器的滑模变结构控制策略,并通过轨迹跟踪实验验证该模型与滑模控制器的有效性。(3)基于研制的软体驱动器,开发了兼具柔顺性与安全性的软体外骨骼康复手软硬件系统。该系统包含模块化的软体外骨骼手、硬件驱动系统、软件系统以及用于镜像康复治疗的数据手套。可为患者提供三种实用的康复训练模式:手功能运动能力评价、被动训练和健侧带动患侧的镜像训练。(4)结合软体外骨骼康复手,建立了便携式软体外骨骼康复手背包系统的实验平台,对软体外骨骼康复手硬件系统和人机交互软件系统分别进行了性能测试,并验证系统各模块的可靠性和安全性。实验结果表明本系统运行稳定可靠,各模块功能正常,满足手部功能运动障碍患者康复需求。