上肢康复机器人的康复训练方法研究
发布时间：2022-01-23 12:22
脑血管疾病和偏瘫疾病的患者随着人口老龄化的加剧而逐年增多,他们的生活和工作受到了严重的影响,同时医生患者数量缺口较大,运用康复机器人来辅助患者完成训练成为大势所趋。康复机器人帮助患者进行平稳的肢体康复运动,能够促进脑部受损神经和肢体联系的建立,对康复机器人的控制方法和系统的研究在医学康复中具有广阔的科研价值和良好的社会效应。针对偏瘫前后期患者的手臂康复需要,本文基于7自由度Barrett-WAM机器人设计了针对性的被动、主动康复训练方法。对于被动康复训练中因手抖或者机器摩擦而引起的控制系统扰动,采用模糊逼近的方法求取扰动量,并在系统中增加相应的鲁棒项进行消除进而保证系统的柔顺性,之后通过Lyapunov函数证明了算法的稳定性,最后运用Barrett-WAM机器人辅助受试者完成垂直平面和水平平面的被动康复实验,从实验结果证明了该方法的有效性。在康复训练的后期,提出了结合患者运动意图的变结构补偿的模糊阻抗控制方法,运动意图和动作的识别通过采集处理手臂肌电信号来完成。本文设计了“肘部屈/伸”,“手腕内扣/外展”和“手臂内旋/外旋”的六种手臂动作,将采集到的手臂肌电信号进行预处理和特征提取,并...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ＭＩＭＥ?Ｉ：肢康复机器人??美国斯坦福大学基于工业机器人ＰＵＭＡ５６０研发了康复机器人ＭＩＭＩＥ［ｌＱ１，??１．２，三，一三、??
。２００６年，瑞士皇家理工学院研发了?６－ＤＯＦ上肢康复机器人??ＡＲＭｉｎＰＩ，如图所示１．３（ｂ），该团队注重任务导向的重复运动来帮助患者恢复受??损祌经，采用外骨骼结构系统和阻抗导纳控制技术来协助患者完成肩关节和大??臂的内／外旋、垂直／水平运动。之后研发更新了上肢康复机器人ＡＲＭｉｎｌｌ，如图??所示１．３（ｃ），该机器人有预设运动治疗模式和游戏运动治疗模式，辅助患者实现??上臂／水平垂直运动、肩关节内／外旋；肩部屈／伸和腕关节屈／伸运动。??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??图１．３上肢康复机器人??２００７年，美国加州大学研发设计了?４－ＤＯＦ上肢外骨骼康复机器人ＢＯＮＥＳ，??如图所示１．４（ａ），该机器人由两根滑动连杆、并联线路和气动执行机组成，气动??执行机通过滑动连杆带动手臂完成较大运动范围的屈／伸以及肘部的弯曲／伸展，??同时具有低惯性的优点，可以不依靠外界轴承完成大臂的屈伸和旋转运动Ｐｉ。??２０１２年，日本佐贺大学的Ｋ．Ｋｉｇｕｃｈｉ科研团队研发了基于肌电信号（ｓＥＭＧ）的??上肢外骨骼康复机器人，如图所示１．４（ｂ），它的优势在于根据患者的肌电信号和??人体意识的融合生理信息制定不同功率的控制方法，运用了自适应神经网络与??模糊控制结合的控制思路，通过采集患肢屈仲过程中ｓＥＭＧ信号变化识别患肢??运动意图，并将其模糊矩阵处理修正，保证实施针对性的机器人运动控制方法，??实验证明具有良好的康复效果［１６］。２０１６年，波兰热舒夫技术大学设计了结合ＶＲ??（虚拟现实技术）的上肢康复机器人，如图所示１．４（ｃ），机器人系统拥有患肢病??情诊断、被动／主动康复训练和病情反馈的功能，设有虚拟游戏和虚拟治疗
?第１章绪论???：：＊１３??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??图１．４国外上肢康复机器人??荷兰屯顿大学研究团队设计了?７自由度的上肢康复机器人ＬＩＭＰＡＣＴ，该机??器人兼顾了康复训练理论和柔顺的结构设计，运用高功率特性的液压马达驱动??机械连杆运动，机械转动结构采用了模拟人骨骼结构的设计，能够辅助患者完??成不同难度运动轨迹的康复训练，实验证明了其有效性［１８］。日本研宄团队研发??的Ｍｕｓｃｌｅ?Ｓｕｉｔ机器人侧重于肢体功能的增强，运用了电机驱动辅助患者完成力??学屈肘、旋肩膀的康复训练动作，运用了模糊ｐｉｄ控制的结构肌肉控制的方法，??最终实验结果证明肢体和背部力量得到了一定的恢复［１９＿２（）｜。??丹麦奥尔大学Ｂａｉ研究团队设计了一种交互力和物理模型结构高度模拟人??体的肩关节外骨骼机器人，针对肩关节的康复训练实验研发了仿真平台，并设??定了不同轨迹的实验，仿真中人体肌肉骨骼和机械骨骼的吻合程度到达了?９５％，??实验结果表明可以促进神经导通的重新建立。之后保持在球面肩关节恢复机制??下改进机械结构，设计了相互连接的双边平行四边形的连杆机构，该机器人拥??有４个自由度，康复训练时患肢移动地更加自由舒适，在控制算法中运用了导??纳阻抗控制技术，实验验证了该机器人辅助完成肩关节训练效果良好ｆ２１＿２３ｊ。??１．２．２国内发展及研究现状??我国对康复机器人的研究起步比较晚，在技术和思路上与发达国家存在一??定的差距。在国家大力发展科技创新人才创新的背景和相关国家基金和政策的??支持以及科研人员的不懈努力下，国内也研发了多种类型的康复机器人。目前??这些研宄成果集中于清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通
【参考文献】：
期刊论文
[1]现阶段我国脑卒中流行特征及防治现状对全科医疗服务的启示和建议[J]. 江滨. 中国全科医学. 2019(30)
[2]基于肌电信号和姿态信号的手势识别[J]. 张发辉,杨大勇,刘婷. 传感器与微系统. 2019(07)
[3]中国人口老龄化的特征趋势及对经济增长的潜在影响[J]. 郭建. 全国商情. 2016(30)
[4]表面肌电图在脑卒中康复中的应用与研究进展[J]. 金佳然,朱玉连. 中国康复. 2016(03)
[5]中风患者偏瘫肢体康复中医护理现状及前景展望[J]. 吴美秋. 世界最新医学信息文摘. 2016(17)
[6]上肢机器人训练疗法对脑卒中偏瘫患者上肢功能恢复的影响[J]. 刘树利,王亚丽,卢潇帅,王晓迪,刘艳,孙颜斌. 按摩与康复医学. 2016 (01)
[7]康复机器人的同步主动交互控制与实现[J]. 彭亮,侯增广,王卫群. 自动化学报. 2015(11)
[8]量子粒子群优化算法的收缩—扩张系数控制策略研究[J]. 黄为勇,徐晓菊,潘晓博,孙彦景,李松. 计算机应用研究. 2016(09)
[9]一种上肢康复训练机器人及控制方法[J]. 吴常铖,宋爱国,李会军,徐宝国,徐晓明. 仪器仪表学报. 2014(05)
[10]一种改进粒子群算法的混合核ε-SVM参数优化及应用[J]. 单黎黎,张宏军,王杰,徐浩,汤京新. 计算机应用研究. 2013(06)
博士论文
[1]上肢康复机器人及相关控制问题研究[D]. 吴军.华中科技大学 2012
[2]基于表面肌电信号的人体动作识别与交互[D]. 张旭.中国科学技术大学 2010
[3]基于sEMG信号的外骨骼式机器人上肢康复系统研究[D]. 李庆玲.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3604340
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ＭＩＭＥ?Ｉ：肢康复机器人??美国斯坦福大学基于工业机器人ＰＵＭＡ５６０研发了康复机器人ＭＩＭＩＥ［ｌＱ１，??１．２，三，一三、??
。２００６年，瑞士皇家理工学院研发了?６－ＤＯＦ上肢康复机器人??ＡＲＭｉｎＰＩ，如图所示１．３（ｂ），该团队注重任务导向的重复运动来帮助患者恢复受??损祌经，采用外骨骼结构系统和阻抗导纳控制技术来协助患者完成肩关节和大??臂的内／外旋、垂直／水平运动。之后研发更新了上肢康复机器人ＡＲＭｉｎｌｌ，如图??所示１．３（ｃ），该机器人有预设运动治疗模式和游戏运动治疗模式，辅助患者实现??上臂／水平垂直运动、肩关节内／外旋；肩部屈／伸和腕关节屈／伸运动。??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??图１．３上肢康复机器人??２００７年，美国加州大学研发设计了?４－ＤＯＦ上肢外骨骼康复机器人ＢＯＮＥＳ，??如图所示１．４（ａ），该机器人由两根滑动连杆、并联线路和气动执行机组成，气动??执行机通过滑动连杆带动手臂完成较大运动范围的屈／伸以及肘部的弯曲／伸展，??同时具有低惯性的优点，可以不依靠外界轴承完成大臂的屈伸和旋转运动Ｐｉ。??２０１２年，日本佐贺大学的Ｋ．Ｋｉｇｕｃｈｉ科研团队研发了基于肌电信号（ｓＥＭＧ）的??上肢外骨骼康复机器人，如图所示１．４（ｂ），它的优势在于根据患者的肌电信号和??人体意识的融合生理信息制定不同功率的控制方法，运用了自适应神经网络与??模糊控制结合的控制思路，通过采集患肢屈仲过程中ｓＥＭＧ信号变化识别患肢??运动意图，并将其模糊矩阵处理修正，保证实施针对性的机器人运动控制方法，??实验证明具有良好的康复效果［１６］。２０１６年，波兰热舒夫技术大学设计了结合ＶＲ??（虚拟现实技术）的上肢康复机器人，如图所示１．４（ｃ），机器人系统拥有患肢病??情诊断、被动／主动康复训练和病情反馈的功能，设有虚拟游戏和虚拟治疗
?第１章绪论???：：＊１３??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??图１．４国外上肢康复机器人??荷兰屯顿大学研究团队设计了?７自由度的上肢康复机器人ＬＩＭＰＡＣＴ，该机??器人兼顾了康复训练理论和柔顺的结构设计，运用高功率特性的液压马达驱动??机械连杆运动，机械转动结构采用了模拟人骨骼结构的设计，能够辅助患者完??成不同难度运动轨迹的康复训练，实验证明了其有效性［１８］。日本研宄团队研发??的Ｍｕｓｃｌｅ?Ｓｕｉｔ机器人侧重于肢体功能的增强，运用了电机驱动辅助患者完成力??学屈肘、旋肩膀的康复训练动作，运用了模糊ｐｉｄ控制的结构肌肉控制的方法，??最终实验结果证明肢体和背部力量得到了一定的恢复［１９＿２（）｜。??丹麦奥尔大学Ｂａｉ研究团队设计了一种交互力和物理模型结构高度模拟人??体的肩关节外骨骼机器人，针对肩关节的康复训练实验研发了仿真平台，并设??定了不同轨迹的实验，仿真中人体肌肉骨骼和机械骨骼的吻合程度到达了?９５％，??实验结果表明可以促进神经导通的重新建立。之后保持在球面肩关节恢复机制??下改进机械结构，设计了相互连接的双边平行四边形的连杆机构，该机器人拥??有４个自由度，康复训练时患肢移动地更加自由舒适，在控制算法中运用了导??纳阻抗控制技术，实验验证了该机器人辅助完成肩关节训练效果良好ｆ２１＿２３ｊ。??１．２．２国内发展及研究现状??我国对康复机器人的研究起步比较晚，在技术和思路上与发达国家存在一??定的差距。在国家大力发展科技创新人才创新的背景和相关国家基金和政策的??支持以及科研人员的不懈努力下，国内也研发了多种类型的康复机器人。目前??这些研宄成果集中于清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通
【参考文献】：
期刊论文
[1]现阶段我国脑卒中流行特征及防治现状对全科医疗服务的启示和建议[J]. 江滨. 中国全科医学. 2019(30)
[2]基于肌电信号和姿态信号的手势识别[J]. 张发辉,杨大勇,刘婷. 传感器与微系统. 2019(07)
[3]中国人口老龄化的特征趋势及对经济增长的潜在影响[J]. 郭建. 全国商情. 2016(30)
[4]表面肌电图在脑卒中康复中的应用与研究进展[J]. 金佳然,朱玉连. 中国康复. 2016(03)
[5]中风患者偏瘫肢体康复中医护理现状及前景展望[J]. 吴美秋. 世界最新医学信息文摘. 2016(17)
[6]上肢机器人训练疗法对脑卒中偏瘫患者上肢功能恢复的影响[J]. 刘树利,王亚丽,卢潇帅,王晓迪,刘艳,孙颜斌. 按摩与康复医学. 2016 (01)
[7]康复机器人的同步主动交互控制与实现[J]. 彭亮,侯增广,王卫群. 自动化学报. 2015(11)
[8]量子粒子群优化算法的收缩—扩张系数控制策略研究[J]. 黄为勇,徐晓菊,潘晓博,孙彦景,李松. 计算机应用研究. 2016(09)
[9]一种上肢康复训练机器人及控制方法[J]. 吴常铖,宋爱国,李会军,徐宝国,徐晓明. 仪器仪表学报. 2014(05)
[10]一种改进粒子群算法的混合核ε-SVM参数优化及应用[J]. 单黎黎,张宏军,王杰,徐浩,汤京新. 计算机应用研究. 2013(06)
博士论文
[1]上肢康复机器人及相关控制问题研究[D]. 吴军.华中科技大学 2012
[2]基于表面肌电信号的人体动作识别与交互[D]. 张旭.中国科学技术大学 2010
[3]基于sEMG信号的外骨骼式机器人上肢康复系统研究[D]. 李庆玲.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3604340
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