下肢康复训练机器人主动控制的研究

发布时间：2019-10-22 07:43

【摘要】：下肢康复运动是针对下肢运动功能障碍患者广泛采用的一种康复训练方式。由于传统的康复训练方式的局限性,使得近些年来下肢康复机器人的研发和使用日益增多。随着我国人口老龄化进程不断的加快,运动功能障碍方面的疾病发病率不断的提高,使得在经济高速发展的同时,社会对康复产品的需求也越来越大。但是,由于我国在康复机器人领域没有成熟的产品,国外产品普遍占据国内市场。因此,研制出具有自主知识产权的下肢康复机器人产品具有深远的意义。在下肢康复训练的研究中,将机器人技术引入其中,研制自动化的康复装置代替传统的人工减重步行训练是当前机器人领域研究的热点之一。步行康复训练机器人系统正是该方面的自动化装备,它能够采用不同的控制策略,带动患者沿着一定的康复运动轨迹进行康复运动,增加了训练的时间,提高了康复效果,减少了医生的工作强度,最终使患者的下肢运动功能得到恢复。本文旨在以往研究的基础上,对下肢康复训练机器人系统进行了动力学建模,并对可供患者主动参与的康复训练控制方法进行分析和研究,同时考虑到实际的控制系统中很难建立准确的动力学模型,为确保在动力学模型不确定的情况下保证控制系统的稳定性,并实现期望关节轨迹的自适应调整和跟踪性能,设计出基于鲁棒PID控制器的步态轨迹自适应主动控制方法。随后,在基于鲁棒PID控制器的基础上设计出Youla-Kucera参数化自适应调节控制器增强患者在康复训练后期其肌肉力量和实现关节轨迹的完全主动训练。在跑步机速度协调控制方面,依据患者与跑步机之间的相互作用力设计出基于加速度抑制的跑步机速度跟随协调控制器,实现了跑步机速度依据患者的运动意图进行自动调节的功能,确保了患者康复训练的安全,将有助于提高患者康复训练的效果。本论文第一章简要介绍了国内外下肢康复机器人的发展状况,并对应用于下肢康复训练机器人的控制器和控制策略进行了简要的介绍和分析,最后说明了本论文的主要研究内容。第二章对下肢康复训练机器人系统进行动力学建模,在机器主动训练模式下,采用拉格朗日分析方法建立人机系统的动力学模型;在患者主动训练模式下,采用牛顿-欧拉方法建立人机系统的动力学模型并对所建立的两组模型进行了数学分析。第三章主要介绍了逆系统解耦方法,并将这种方法应用到了所研究的模型中,简化了控制器的设计。随着患者主动参与训练意识的不断增强,考虑到人机交互作用,本章在基于系统动力学模型精确已知的情况下进行了阻抗控制器的设计。同时,为了在线提取患者的运动意图,实现患者期望步态轨迹的在线调整,本章在阻抗控制的基础上设计出步态参考轨迹自适应协调算法并对所设计的控制器进行了仿真验证。第四章主要介绍了在实际的系统中由于系统的动力学模型存在不确定性及外界环境存在干扰等因素,很难建立系统准确的动力学模型。因此,在控制器的设计中考虑这些不确定因素而设计基于鲁棒PID控制器的步态轨迹自适应主动控制方法使系统具有很好的鲁棒性和关节轨迹的良好跟踪性能,控制实现了期望关节轨迹的自适应调整,并利用线性矩阵不等式的理论对控制器的参数进行了优化。在康复训练后期,考虑到患者的运动功能逐步恢复,患者处于一种完全主动的训练模式,本章在鲁棒PID控制器的基础上采用Youla-Kucera参数化方法设计出一种自适应调节控制器。本章对所设计的基于鲁棒PID控制器的步态参考轨迹自适应协调控制方法及Youla-Kucera参数化的自适应调节方法进行了仿真验证。第五章,基于训练者与跑步机之间的相互作用力设计出跑步机速度跟随协调控制器,使得跑步机的速度可以依据患者的运动意图进行自动的调整,实现了人机系统与跑步机的协调控制。同时,在控制器中增加了加速度抑制模块,有效地抑制了跑步机的加速度,避免了因加速度过大对患者肌肉造成的可能二次伤害。最后,对设计出的跑步机速度跟随协调控制系统进行了仿真验证。第六章对控制系统的硬件进行了介绍,并在既有控制系统硬件的基础上进行了控制软件的设计,同时对设计出的控制器进行了实验验证。硬件方面主要包括控制系统的硬件组成介绍、控制系统电气设计介绍等;软件方面主要包括系统软件的组成介绍、运动控制程序设计、数据采集分析处理、控制算法程序、协调控制程序及人机界面设计等。重点在样机实验平台上进行了位置控制实验和阻抗控制实验,并对设计的基于鲁棒PID控制器的步态轨迹自适应主动控制方法进行了实验,实验结果证明了所设计的控制器用于主动康复训练的可行性。第七章,对本博士论文所作的研究进行总结并提出了今后研究的方向。本博士论文通过对下肢外骨骼机械腿关键技术的研究,有助于为发展面向应用的下肢康复训练机器人系统准备关键技术基础,具有非常积极的学术意义和重要的应用价值。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP242
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本文编号：2551542