膝关节康复机器人控制策略研究

作     者：陈思成 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚玉峰

授予年度：2021年

学科分类：1002[医学-临床医学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 100215[医学-康复医学与理疗学] 10[医学] 

主      题：偏瘫 控制策略 阻抗控制 导纳控制 混合控制 

摘      要：目前我国存在大量的偏瘫患者,但由于康复资源分配不均与康复医师严重短缺等原因,多数患者没有得到及时的康复治疗,因此设计一款适合偏瘫康复的机器人是亟待解决的问题。在此背景下,本文基于膝关节康复机器人对控制策略与控制系统等方面展开了研究,主要工作如下:首先进行了控制方案设计。简述偏瘫的特征与治疗方法,表明偏瘫患者在不同的康复阶段应采取不同的运动模式;对下肢运动展开了分析,并建立了膝关节运动学模型;提出了膝关节康复机器人的系统控制要求,并主要完成了控制系统和检测系统的设计。其次进行了控制策略研究。针对不同康复阶段的偏瘫患者,设计了位置控制、阻抗控制、导纳控制和混合控制四种控制策略。其中位置控制和阻抗控制帮助康复前中期的患者完成被动康复训练,导纳控制和混合控制帮助康复中后期的患者完成主动康复训练。通过李雅普诺夫稳定性分析验证了阻抗控制和导纳控制的稳定性,并通过不同环境下的仿真研究了四种控制策略的特性。然后进行了控制系统搭建。简述膝关节康复机器人控制系统组成;完成了力信号与力矩信号采集与处理模块的设计,包括传感器标定与信号处理程序设计,同时完成了控制系统程序与界面的设计。最后进行了控制实验分析。简述实验装置和实验对象;分别进行了位置控制、阻抗控制、导纳控制和混合控制的相关实验,通过实验分析验证了四种控制策略的正确性与控制系统搭建的合理性。