下肢康复机器人主动训练研究与实现

发布时间：2017-09-17 17:45

  本文关键词：下肢康复机器人主动训练研究与实现

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【摘要】：脑卒中及肢体残障患者与日俱增,如何运用传统医疗方案结合现代科技技术以达到高效、精准、人性化恢复患者肢体运动功能是康复工作者研究和实践的重点。下肢康复机器人是一种有效节约医疗资源、降低医师劳动强度、提高患者生活质量的辅助康复训练设备;主动训练是充分利用康复机器人智能化人机交互功能,基于患者自主运动意图完成人机耦合运动实现患肢功能恢复的训练策略。首先,对运动康复理论临床常用治疗方法做出介绍,以此作为下肢康复机器人硬件平台主动训练的研究基础。随后对下肢康复机器人机械结构、传感系统做出分析,此部分是后续运动分析、信号处理的基础。其次,基于力/力矩信号的主动训练首先构建考虑机构自平衡的人机一体化空载静力学模型,然后求得关节变量、空载力矩、实测力矩和患者末端施力之间的映射关系,随后根据阻尼控制策略完成末端施力和末端速度映射函数规划,之后根据运动学反解求出关节角速度并输送到驱动系统完成人机耦合运动,在此期间对传感器信号进行卡尔曼滤波并在训练过程中考虑人的情感因素。再次,基于表面肌电信号的主动训练首先选定影响关节运动的肌肉群并完成多通道表面肌电信号采集,然后利用离散指标对常用时域内特征量进行比较,找出对信号波动最为敏感的三个特征量做为最优特征量,之后利用最优特征量样本对BP神经网络进行训练同时以误差最小原则确定最佳网络作为后续训练的动作辨识分类器,接着对对控制策略进行研究,并介绍了训练过程中的安全措施。最后,较详细介绍了下肢康复机器人硬件平台的主动训练实验,并介绍了本下肢康复机器人在河南某医院基于实际应用环境进行临床实验的情况,实验取得良好结果可以验证下肢康复机器人硬件平台自身和控制策略的可行性和稳定性。
【关键词】：下肢康复机器人 主动训练 肌电信号 临床实验
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 引言11
• 1.2 课题研究背景、目的及意义11-12
• 1.3 下肢康复机器人发展现状综述12-17
• 1.3.1 国外下肢康复机器人研究现状12-16
• 1.3.2 国内下肢康复机器人研究现状16-17
• 1.4 本文的主要研究内容17-19
• 第2章 下肢康复机器人主动训练总体方案设计19-33
• 2.1 引言19
• 2.2 运动康复医学理论基础19-22
• 2.2.1 神经可塑性分析19-21
• 2.2.2 脑卒中临床康复常用方法21-22
• 2.2.3 脑卒中病情对心理健康影响22
• 2.3 下肢康复机器人硬件平台分析22-30
• 2.3.1 机器人腿部结构及传感器安装分析23-28
• 2.3.2 下肢康复机器人传感系统设计28-30
• 2.4 人机交互平台及控制体系设计30-31
• 2.5 本章小结31-33
• 第3章 基于力/力矩信号的主动训练研究33-61
• 3.1 引言33
• 3.2 下肢康复机器人静力学分析33-40
• 3.2.1 考虑自平衡的空载静力学模型33-36
• 3.2.2 利用工程方式进行静力学标定36-38
• 3.2.3 等效末端施力解算38-40
• 3.3 机构运动学反解40-43
• 3.3.1 关节位置运动学反解41-42
• 3.3.2 关节速度运动学反解42-43
• 3.4 传感器信号处理43-48
• 3.4.1 建立系统数学模型43-44
• 3.4.2 卡尔曼滤波器模型44-48
• 3.5 基于力/力矩信号的控制策略研究48-56
• 3.5.1 阻尼式控制策略训练模式48-49
• 3.5.2 末端施力和末端速度映射函数规划49-55
• 3.5.3 控制过程时序及双环策略55-56
• 3.6 情感激励人机交互56-60
• 3.6.1 激励时间窗检测57-58
• 3.6.2 交互策略控制58-60
• 3.7 本章小结60-61
• 第4章 基于表面肌电信号的主动训练研究61-83
• 4.1 引言61
• 4.2 表面肌电信号采集61-66
• 4.2.1 肌电信号产生机理及干扰因素61-63
• 4.2.2 表面肌电传感器粘贴位置选择63-64
• 4.2.3 多路表面肌电信号采集64-66
• 4.3 表面肌电信号最优特征量确定66-73
• 4.3.1 常用特征量提取方法66-70
• 4.3.2 利用离散指标求最优特征量70-73
• 4.4 基于BP神经网络的动作辨识研究73-79
• 4.4.1 BP神经网络分类器的构建73-75
• 4.4.2 BP神经网络训练75-79
• 4.5 基于表面肌电信号的控制策略79-81
• 4.5.1 人机接口设计79
• 4.5.2 训练策略研究79-81
• 4.6 本章小结81-83
• 第5章 下肢康复机器人主动训练实验研究83-97
• 5.1 引言83
• 5.2 传感器标定实验83-85
• 5.3 基于力/力矩传感器的主动训练实验研究85-89
• 5.3.1 约束轨迹验证85-87
• 5.3.2 末端速度和末端力关系验证87-89
• 5.4 基于表面肌电信号的主动训练实验研究89-93
• 5.4.1 表面肌电采集实验89-90
• 5.4.2 BP神经网络实验90-91
• 5.4.3 基于表面肌电信号的运动验证91-93
• 5.5 临床实验说明93-95
• 5.6 本章小结95-97
• 结论97-98
• 参考文献98-101
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果101-102
• 致谢102

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