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下肢康复外骨骼研制及基于渐进式康复的控制方法研究

下肢康复外骨骼研制及基于渐进式康复的控制方法研究

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作者：石男强哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

本课题针对下肢瘫痪患者的个体差异性、运动恢复渐进性和康复过程反复性设计了一种模块化多姿态的下肢康复外骨骼机器人,依据康复阶段研究渐进式的康复训练策略及机器人控制方法,并通过人机耦合仿真和实验进行分析。通过分析人体关节运... 详细信息

本课题针对下肢瘫痪患者的个体差异性、运动恢复渐进性和康复过程反复性设计了一种模块化多姿态的下肢康复外骨骼机器人,依据康复阶段研究渐进式的康复训练策略及机器人控制方法,并通过人机耦合仿真和实验进行分析。通过分析人体关节运动,对下肢外骨骼机器人进行集成化和模块化设计,包含大腿驱动单元、腰部支撑单元和足部矫形三大部分,对核心单元的传动系统、驱动系统、控制系统、传感系统和距离调节机构进行设计。外骨骼可以通过连接机构的拆装改变训练姿态,实现仰卧姿、坐姿和站姿等多种训练模式。针对患者康复的递进式过程实施渐进式康复训练策略,在康复的前、中、后期分别实施轨迹约束的位置控制、助力辅助的力矩控制和主动对抗的抗阻训练等,并进行训练姿态、位置轨迹、助力比例和抗阻比例的实时调整。据此,对人体不同姿态下的肢体运动进行运动学仿真和生物力学仿真,包括坐卧姿康复轨迹规划和运动仿真及站姿步态解析和运动仿真,根据康复周期研究仰卧姿末端直线屈伸运动、圆周轨迹运动、坐姿抬腿运动和平地站立步行等的运动过程。对外骨骼机器人开展了渐进式康复控制方法的研究,对坐卧姿和站姿不同相位的人机系统进行运动学和动力学分析,针对三种模式的康复策略研究相应的控制方法,康复前期轨迹约束的位置控制采用计算力矩法对动力学系统进行线性解耦并采用RBF神经网络对不确定项进行线性补偿,通过位置误差函数逼近减小跟踪误差。康复中期助力辅助的力矩控制采用基于肢体力矩反馈的助力控制,通过调整力矩系数改变人机输出力矩的比例,使人体肌肉得到助力训练,同时结合人机阻抗关系通过外环的阻抗控制模块对人机交互力进行动态调节,提高控制的柔顺性。康复后期主动对抗的抗阻控制基于超量恢复原理,通过调整抗阻系数对肢体施加反向力矩。建立外骨骼模型和人机耦合系统模型,利用ADAMS和Simulink的联合仿真平台进行人机系统验证和控制方法仿真分析。针对轨迹约束的位置控制和神经网络调节以仰卧姿圆周轨迹运动为例仿真运动过程并分析控制效果,针对助力辅助的力矩控制和阻抗关系调节以平地步行为例仿真运动过程并分析结果,通过改变力矩系数研究力矩控制的助力效果。最后,搭建外骨骼系统实验平台,完成控制驱动系统和通讯系统的调试,进行单关节位置控制实验,验证系统的可行性。

关键词：下肢康复外骨骼渐进式康复位置跟踪控制助力力矩控制

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