面向手部运动功能康复的双向软体致动器的设计

发布时间：2020-03-18 06:59

【摘要】：近年来,随着社会人口的老龄化加重,由于脑卒中或脑外伤等原因引起的偏瘫人数愈来愈多。另外,生产事故和交通意外等也造成了很多的肢体运动功能障碍患者,其中手部运动功能障碍严重影响了患者的日常生活。手部外骨骼康复机器人可以帮助患者恢复手部运动功能,其通过辅助患者进行日常生活的手部运动,配合脑部意识进行协调训练,从而修复受损的运动神经。针对人手的运动规律和骨骼特征,本文提出一种用于手部康复的双向运动软体致动器设计方法,设计了柔性光纤传感器,实现了软体致动器对自身曲率感知,开展了软体致动器的动态模型辨识和滑模控制器设计工作,构建了基于双向运动软体致动器的具有力位反馈功能的手部外骨骼康复系统,论文的主要内容如下:(1)从骨骼解剖学的角度分析了人手的运动和骨骼结构特点,归纳总结了手部运动障碍患者的主要康复需求,确定了双向软体致动器的弯曲角度范围和自由度,提出了正弦波纹型软体致动器的参数优化方法,设计了分段式变刚度结构的双向运动软体致动器,实现了拟人手运动的双向软体致动器设计。(2)针对软体致动器的运动特点,设计了一种基于PMMA光纤的柔性光纤弯曲传感器,通过将该传感器集成于软体致动器并进行了弯曲角度与光损耗的关系式标定实验,实现了软体致动器的运动状态自感知能力,并通过表面轮廓触摸试验验证了柔性光纤传感器的可靠性。(3)针对软体致动器的非线性和气动系统的时滞性特点,结合自主设计研发的柔性光纤弯曲传感器,进行了不同气压输出下的软体致动器阶跃响应实验,得到了不同输入下的二阶过阻尼系统方程,通过最小二乘法将参数拟合从而辨识出软体致动器的系统模型,利用一阶泰勒公式将系统局部线性化进而设计了滑模控制器,并通过正弦轨迹跟随试验验证了系统模型和控制器的有效性。(4)基于研制的双方向运动软体致动器,设计了力位混合控制的手运动康复系统,完成了手运动康复系统的软硬件逻辑结构设计,开发了具有3D图像显示的人机交互软件程序,并通过试验验证各模块的可靠性和安全性,并为患者设计了多种康复训练模式:主动力辅助模式、互动交互模式和指定动作训练模式等。
【图文】：

手套,新加坡国立大学,哈佛大学,生物医学工程

华中科技大学硕士学位论文性的材料所缓冲，这不仅保证了患者康复过程的安全，并且患会感到十分舒适。手部外骨骼研究现状年，，哈佛大学提出了一种气动康复手套，如图 1-1 所示。它可于人手的屈曲运动。其中的柔性致动器由具有弹性的柔性硅胶设计了多个内部联通的矩形突出腔体，当压缩气体作为动力源相互挤压从而产生了弯曲运动。并且该气动手套采用开放式结便、安全的贴合人手，辅助患者完成闭合运动。

软体,新加坡国立大学,外骨骼,哈佛大学

图 1-2 新加坡国立大学软体外骨骼nagiotis Polygerinos 和 Zheng Wang 等人研制手套[11][12]，如图 1-3 所示。其致动器由模具，在对腔体加压下可以形成特定的弯曲、扭曲构设计，用以匹配各个手指的运动范围，当加为低阻抗。为了方便操作软体机器人手套，元，包括流体压力传感器和调节压力的闭环控人具有便携式的腰带背包和开放式的手掌设
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242;TP212

【参考文献】