柔性下肢步态康复训练机器人人机共融理论研究
发布时间：2021-02-02 11:44
运动康复对于肢体功能障碍患者神经通路的重塑有着重要的影响,康复训练机器人与患者的人机共融是实现定制式康复治疗的关键。由于患者具有因人而异的偏瘫步态、康复训练机器人机构刚性、患者主动性与机器人自动控制结合不足、理疗师与机器人交互欠缺等问题,难以采用传统机器人运动控制方法解决患者、机器人和理疗师三者在动态治疗过程中的行为协调与自然交互,导致与个性化康复治疗的临床需求存在着差距。本文以实现安全有效的个性化康复治疗为目标,解决行为共融、任务共融及智能共融中的关键科学问题。提出步态康复训练人机共融系统的总体架构,不同于由理疗师、患者和康复机器人三者组成的常规结构,增加理疗师穿戴的操控外骨骼,使得理疗师更进一步融入康复训练任务中。考虑刚性支撑与柔性驱动结合设计具有柔顺性的仿生机构实现人机步行行为共融。基于人体行走特性及康复训练的需求,从机体仿生与运动仿生思想出发,完成包含4自由度双下肢外骨骼的减重悬吊康复训练机器人机构及参数匹配的气压比例伺服驱动系统设计。基于摩擦制动原理和膜片气缸比例压力控制,研发具有力矩可控特性的新型气动关节,采用重力补偿算法为穿戴操控外骨骼的理疗师提供平稳操控力矩。为了给体态...
【文章来源】：河南科技大学河南省
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 研究现状及关键技术综述
1.2.1 下肢康复训练机器人结构及驱动方式
1.2.2 步态规划研究在康复训练领域的发展概述及分析
1.2.3 人机交互协作控制研究在康复训练领域的发展概述及分析
1.3 论文研究内容与章节安排
第2章 步态康复训练人机共融系统
2.1 引言
2.2 步态康复训练人机共融系统总体架构
2.3 临床步态康复中的康复医学基础
2.4 柔性下肢步态康复训练机器人人机匹配设计
2.4.1 人体下肢结构及行走特征
2.4.2 步态康复训练机器人
2.4.3 气压比例驱动系统
2.4.4 机器人及驱动系统关键参数确定
2.5 理疗师穿戴外骨骼操控机构
2.5.1 操控机构结构
2.5.2 气压比例驱动系统
2.5.3 关节操纵力矩可调控原理
2.5.4 关节操纵力矩的重力补偿
2.6 本章小结
第3章 理疗师交互下的机器人步态规划方法
3.1 引言
3.2 基于李群和旋量理论的运动学建模
3.2.1 基于指数积方法的正运动学建模
3.2.2 基于Paden-Kahan子问题求解的逆运动学建模
3.2.3 足跟末端物体速度矢量及雅可比矩阵
3.3 理疗师交互下的三维步态时空规划方法
3.3.1 理疗师空间与机器人空间的康复步态轨迹映射
3.3.2 理疗师空间与机器人空间的速度映射
3.3.3 减重机构与电动跑台运动规划
3.4 理疗师步态数据的机器学习方法
1约束的Huber损失最小化学习算法"> 3.4.1 l1约束的Huber损失最小化学习算法
3.4.2 理疗师实测步态数据的回归学习
3.5 步行训练起始段与终止段步态规划
3.5.1 起始段关节轨迹规划
3.5.2 终止段关节轨迹规划
3.5.3 步态规划实例
3.6 本章小结
第4章 基于李群和旋量理论的人机系统动力学建模
4.1 引言
4.2 基于李群和旋量理论的拉格朗日方程动力学建模方法
4.2.1 拉格朗日方程的李群表示
4.2.2 运动旋量及空间速度雅可比矩阵求解
4.2.3 串联机器人关节空间动力学模型的李群表示
4.3 下肢步态康复训练机器人动力学建模
4.3.1 机器人关节空间动力学模型
4.3.2 机器人关节空间动力学仿真
4.4 人体步行动力学建模
4.4.1 步行运动生物力学原理
4.4.2 摆动腿动力学模型
4.4.3 支撑腿动力学模型
4.4.4 人体步行动力学模型及仿真
4.5 人机系统动力学建模与特性分析
4.6 本章小结
第5章 步态康复训练人机共融系统自适应控制策略
5.1 引言
5.2 步态康复训练人机共融控制系统总体架构
5.3 关节空间康复步态轨迹控制策略研究
5.3.1 气动比例阀控缸系统及独立关节位置控制算法
5.3.2 线性解耦轨迹跟踪控制算法
5.3.3 仿真研究
5.3.4 两种关节空间底层控制策略的对比
5.4 基于导纳模型的交互层自适应控制策略
5.4.1 人机交互模型的确定
5.4.2 基于Sigmoid函数的变参数导纳控制算法
5.4.3 基于强化学习的参数自适应导纳控制算法
5.5 本章小结
第6章 样机系统控制试验及康复训练试验研究
6.1 引言
6.2 步态康复训练人机共融系统试验样机
6.2.1 步态康复训练机器人
6.2.2 理疗师穿戴操控外骨骼
6.2.3 气压比例驱动及伺服控制系统
6.3 理疗师交互下的步态规划试验
6.3.1 平地步态规划试验
6.3.2 电动跑台上的全程步态规划试验
6.4 关节空间康复步态轨迹控制试验
6.4.1 单关节气缸位置伺服控制试验
6.4.2 双关节轨迹跟踪控制试验
6.5 康复训练中人机共融控制试验
6.5.1 被动康复训练试验
6.5.2 主动康复训练试验
6.6 本章小结
第7章 结论
7.1 研究工作总结
7.2 论文创新点
7.3 工作展望
参考文献
致谢
攻读学位期间的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]发展中的外骨骼机器人及其关键技术[J]. 石晓博,郭士杰,李军强,赵海文. 机床与液压. 2018(21)
[2]Tri-Co Robot: a Chinese robotic research initiative for enhanced robot interaction capabilities[J]. Han Ding,Xuejun Yang,Nanning Zheng,Ming Li,Yinan Lai,Hao Wu. National Science Review. 2018(06)
[3]气动人工肌肉拮抗关节的力与刚度独立控制[J]. 张道辉,赵新刚,韩建达,马红阳,张弼. 机器人. 2018(05)
[4]基于细径McKibben型气动人工肌肉的仿生手研发[J]. 南卓江,杨扬,铃森康一,大贺淳一郎,刘娜,孙翊,蒲华燕,谢少荣. 机器人. 2018(03)
[5]下肢机器人辅助步态训练在脑卒中后步行功能障碍患者中的应用进展[J]. 胡淑珍,吴华,傅建明,曾明,顾旭东. 中华物理医学与康复杂志. 2017 (09)
[6]脑卒中意念控制的主被动运动康复技术[J]. 李敏,徐光华,谢俊,韩丞丞,张鑫,李黎黎,张四聪. 机器人. 2017(05)
[7]外骨骼下肢康复机器人在脑卒中康复中的应用进展[J]. 李宏伟,张韬,冯垚娟,林海丹,白定群. 中国康复理论与实践. 2017(07)
[8]机器人技术的发展[J]. 王天然. 机器人. 2017(04)
[9]中国脑卒中早期康复治疗指南[J]. 张通,赵军. 中华神经科杂志. 2017 (06)
[10]基于模糊强化学习的微创外科手术机械臂人机交互方法[J]. 杜志江,王伟,闫志远,董为,王伟东. 机器人. 2017(03)
博士论文
[1]液压驱动下肢外骨骼机器人摆动相控制系统研究[D]. 靳兴来.浙江大学 2017
[2]结合旋量理论的串联机器人运动特性分析及运动控制研究[D]. 陈庆诚.浙江大学 2015
[3]下肢康复训练机器人主动控制的研究[D]. 李峰.上海大学 2014
[4]坐/卧式下肢康复机器人研究[D]. 史小华.燕山大学 2014
[5]基于sEMG与交互力等多源信号融合的下肢外骨骼康复机器人及其临床实验研究[D]. 范渊杰.上海交通大学 2014
[6]全方位移动下肢康复机器人的运动控制方法研究[D]. 姜莹.沈阳工业大学 2013
[7]卧式下肢康复机器人研究[D]. 孙洪颖.哈尔滨工程大学 2011
[8]人体典型运动生物力学仿真分析[D]. 唐刚.上海交通大学 2011
[9]基于柔性外骨骼人机智能系统基础理论及应用技术研究[D]. 张佳帆.浙江大学 2009
硕士论文
[1]基于肌电反馈的下肢康复机器人自适应交互控制[D]. 郭子晖.燕山大学 2016
[2]下肢康复机器人轨迹规划及其柔顺性控制研究[D]. 周家旺.武汉理工大学 2015
[3]偏瘫患者辅助行走下肢康复外骨骼系统开发研究[D]. 吴海杰.浙江大学 2014
[4]多位姿下肢康复机器人平台的研制[D]. 杨润泽.清华大学 2012
[5]下肢康复医疗外骨骼训练控制系统研究与初步实现[D]. 董亦鸣.浙江大学 2008
本文编号：3014638
【文章来源】：河南科技大学河南省
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 研究现状及关键技术综述
1.2.1 下肢康复训练机器人结构及驱动方式
1.2.2 步态规划研究在康复训练领域的发展概述及分析
1.2.3 人机交互协作控制研究在康复训练领域的发展概述及分析
1.3 论文研究内容与章节安排
第2章 步态康复训练人机共融系统
2.1 引言
2.2 步态康复训练人机共融系统总体架构
2.3 临床步态康复中的康复医学基础
2.4 柔性下肢步态康复训练机器人人机匹配设计
2.4.1 人体下肢结构及行走特征
2.4.2 步态康复训练机器人
2.4.3 气压比例驱动系统
2.4.4 机器人及驱动系统关键参数确定
2.5 理疗师穿戴外骨骼操控机构
2.5.1 操控机构结构
2.5.2 气压比例驱动系统
2.5.3 关节操纵力矩可调控原理
2.5.4 关节操纵力矩的重力补偿
2.6 本章小结
第3章 理疗师交互下的机器人步态规划方法
3.1 引言
3.2 基于李群和旋量理论的运动学建模
3.2.1 基于指数积方法的正运动学建模
3.2.2 基于Paden-Kahan子问题求解的逆运动学建模
3.2.3 足跟末端物体速度矢量及雅可比矩阵
3.3 理疗师交互下的三维步态时空规划方法
3.3.1 理疗师空间与机器人空间的康复步态轨迹映射
3.3.2 理疗师空间与机器人空间的速度映射
3.3.3 减重机构与电动跑台运动规划
3.4 理疗师步态数据的机器学习方法
1约束的Huber损失最小化学习算法"> 3.4.1 l1约束的Huber损失最小化学习算法
3.4.2 理疗师实测步态数据的回归学习
3.5 步行训练起始段与终止段步态规划
3.5.1 起始段关节轨迹规划
3.5.2 终止段关节轨迹规划
3.5.3 步态规划实例
3.6 本章小结
第4章 基于李群和旋量理论的人机系统动力学建模
4.1 引言
4.2 基于李群和旋量理论的拉格朗日方程动力学建模方法
4.2.1 拉格朗日方程的李群表示
4.2.2 运动旋量及空间速度雅可比矩阵求解
4.2.3 串联机器人关节空间动力学模型的李群表示
4.3 下肢步态康复训练机器人动力学建模
4.3.1 机器人关节空间动力学模型
4.3.2 机器人关节空间动力学仿真
4.4 人体步行动力学建模
4.4.1 步行运动生物力学原理
4.4.2 摆动腿动力学模型
4.4.3 支撑腿动力学模型
4.4.4 人体步行动力学模型及仿真
4.5 人机系统动力学建模与特性分析
4.6 本章小结
第5章 步态康复训练人机共融系统自适应控制策略
5.1 引言
5.2 步态康复训练人机共融控制系统总体架构
5.3 关节空间康复步态轨迹控制策略研究
5.3.1 气动比例阀控缸系统及独立关节位置控制算法
5.3.2 线性解耦轨迹跟踪控制算法
5.3.3 仿真研究
5.3.4 两种关节空间底层控制策略的对比
5.4 基于导纳模型的交互层自适应控制策略
5.4.1 人机交互模型的确定
5.4.2 基于Sigmoid函数的变参数导纳控制算法
5.4.3 基于强化学习的参数自适应导纳控制算法
5.5 本章小结
第6章 样机系统控制试验及康复训练试验研究
6.1 引言
6.2 步态康复训练人机共融系统试验样机
6.2.1 步态康复训练机器人
6.2.2 理疗师穿戴操控外骨骼
6.2.3 气压比例驱动及伺服控制系统
6.3 理疗师交互下的步态规划试验
6.3.1 平地步态规划试验
6.3.2 电动跑台上的全程步态规划试验
6.4 关节空间康复步态轨迹控制试验
6.4.1 单关节气缸位置伺服控制试验
6.4.2 双关节轨迹跟踪控制试验
6.5 康复训练中人机共融控制试验
6.5.1 被动康复训练试验
6.5.2 主动康复训练试验
6.6 本章小结
第7章 结论
7.1 研究工作总结
7.2 论文创新点
7.3 工作展望
参考文献
致谢
攻读学位期间的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]发展中的外骨骼机器人及其关键技术[J]. 石晓博,郭士杰,李军强,赵海文. 机床与液压. 2018(21)
[2]Tri-Co Robot: a Chinese robotic research initiative for enhanced robot interaction capabilities[J]. Han Ding,Xuejun Yang,Nanning Zheng,Ming Li,Yinan Lai,Hao Wu. National Science Review. 2018(06)
[3]气动人工肌肉拮抗关节的力与刚度独立控制[J]. 张道辉,赵新刚,韩建达,马红阳,张弼. 机器人. 2018(05)
[4]基于细径McKibben型气动人工肌肉的仿生手研发[J]. 南卓江,杨扬,铃森康一,大贺淳一郎,刘娜,孙翊,蒲华燕,谢少荣. 机器人. 2018(03)
[5]下肢机器人辅助步态训练在脑卒中后步行功能障碍患者中的应用进展[J]. 胡淑珍,吴华,傅建明,曾明,顾旭东. 中华物理医学与康复杂志. 2017 (09)
[6]脑卒中意念控制的主被动运动康复技术[J]. 李敏,徐光华,谢俊,韩丞丞,张鑫,李黎黎,张四聪. 机器人. 2017(05)
[7]外骨骼下肢康复机器人在脑卒中康复中的应用进展[J]. 李宏伟,张韬,冯垚娟,林海丹,白定群. 中国康复理论与实践. 2017(07)
[8]机器人技术的发展[J]. 王天然. 机器人. 2017(04)
[9]中国脑卒中早期康复治疗指南[J]. 张通,赵军. 中华神经科杂志. 2017 (06)
[10]基于模糊强化学习的微创外科手术机械臂人机交互方法[J]. 杜志江,王伟,闫志远,董为,王伟东. 机器人. 2017(03)
博士论文
[1]液压驱动下肢外骨骼机器人摆动相控制系统研究[D]. 靳兴来.浙江大学 2017
[2]结合旋量理论的串联机器人运动特性分析及运动控制研究[D]. 陈庆诚.浙江大学 2015
[3]下肢康复训练机器人主动控制的研究[D]. 李峰.上海大学 2014
[4]坐/卧式下肢康复机器人研究[D]. 史小华.燕山大学 2014
[5]基于sEMG与交互力等多源信号融合的下肢外骨骼康复机器人及其临床实验研究[D]. 范渊杰.上海交通大学 2014
[6]全方位移动下肢康复机器人的运动控制方法研究[D]. 姜莹.沈阳工业大学 2013
[7]卧式下肢康复机器人研究[D]. 孙洪颖.哈尔滨工程大学 2011
[8]人体典型运动生物力学仿真分析[D]. 唐刚.上海交通大学 2011
[9]基于柔性外骨骼人机智能系统基础理论及应用技术研究[D]. 张佳帆.浙江大学 2009
硕士论文
[1]基于肌电反馈的下肢康复机器人自适应交互控制[D]. 郭子晖.燕山大学 2016
[2]下肢康复机器人轨迹规划及其柔顺性控制研究[D]. 周家旺.武汉理工大学 2015
[3]偏瘫患者辅助行走下肢康复外骨骼系统开发研究[D]. 吴海杰.浙江大学 2014
[4]多位姿下肢康复机器人平台的研制[D]. 杨润泽.清华大学 2012
[5]下肢康复医疗外骨骼训练控制系统研究与初步实现[D]. 董亦鸣.浙江大学 2008
本文编号：3014638
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