基于肢体协调运动的下肢康复机器人交互控制方法研究

发布时间：2020-11-19 02:44

　　 伴随着老龄化时代到来,由中风、脊髓损伤、帕金森综合征等疾病造成的肢体残障人数迅速增长。其中,中风是导致人们下肢局部骨骼肌运动功能障碍的主要疾病。它是造成身体运动机能障碍的主要疾病,也是目前致残率最高的疾病之一,且每年持续增长、并呈年轻化趋势,严重地危害患者身体健康。肢体麻木、步伐不稳、偏瘫等是其最为常见的后遗症。因此,中风不仅给患者身体和心理上带来了严重伤害,还给患者家庭带来了巨大的经济负担。如何为中风患者提供必要的帮助已经成为我们必须面对的社会服务问题。下肢康复机器人辅助患肢进行康复训练是康复医疗发展的必然趋势,但目前人机交互控制方法研究相对薄弱,导致康复训练活动存在安全隐患,甚至造成二次损伤等问题。本文针对下肢康复机器人中存在的问题开展了深入研究,主要研究内容如下:(1)针对下肢康复机器人动力学建模问题,将其结构进行合理的抽象与简化,提出一个具有普适性的结构模型。在一个完整康复周期内,建立一类具有非线性、强耦合、不确定、时变等特性的动力学模型。动力学模型的建立为研究下肢康复机器人的鲁棒稳定性分析以及人机交互控制奠定基础。(2)针对下肢康复机器人的鲁棒稳定性问题,在实际工程应用中,强鲁棒性能够增强系统的抗干扰能力。当下肢康复机器人模型发生参数摄动或外部扰动的情况,设计鲁棒反馈控制器,因此,结合稳定性条件和迭代学习技术,设计不同的迭代学习控制器,实现下肢康复机器人多工况的康复训练活动。(3)针对时变广义逆矩阵求解问题,提出一种修正的归零神经网络模型,根据Lyapunov稳定性定理,分析该类网络的稳定性。另外,当网络受到噪声干扰时,提出了一类抗噪型动力系统,设计具有抗噪能力的归零神经网络模型,研究该类网络的渐近稳定性和指数稳定性。数值仿真结果表明,本文提出的归零神经网络模型求解时变广义逆矩阵是可行和有效的,为患者运动意图识别奠定理论基础和算法框架。(4)在康复训练过程中,为了给患肢创造一个安全、舒适、自然且具有主动柔顺的康复训练环境,人机交互控制方法不可或缺。利用数据采集系统提取患者的表面肌电信号(surface Electromyography,sEMG)并进行意图识别,形成“患者-机器人”人机交互系统的康复训练轨迹,设计基于迭代学习算法的人机交互控制器,避免患肢受到二次损伤。
【学位单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：R496;TP242
【部分图文】：

国内产

第2章下肢康复机器人建模及动力学分析10第2章下肢康复机器人动力学建模与分析2.1引言目前，下肢康复机器人的原型机开发取得了巨大的成功，但是其康复训练活动的稳定性分析与人机交互控制方法研究却远远落后于原型机研制，其中，建立合适的动力学模型成为解决该类问题的关键[60]。本章以康复医学理论为基础，分析人体下肢解剖结构，提取下肢运动规律和运动特征，构建下肢康复机器人具有抗干扰的动力学模型，为下肢康复机器人的稳定性和人机交互控制器设计奠定基矗2.2下肢康复医学理论基础从生物力学和解剖学领域分析人体下肢的构成以及运动功能，可以深入地了解人体骨骼的运动规律。其中，生物力学是利用物理原理定量研究生物体内的力是如何相互作用；解剖学是关于生命体结构的科学。图2-1是人体下肢骨骼系统的构成，其中图2-1（a）是从人体前面的视角观测到的骨骼；图2-1（b）是从人体后面的视角观测到的骨骼。（a）正视图（b）后视图图2-1人体下肢骨骼结构图从图2-1中可以看出，人体下肢主要由髋关节、膝关节和踝关节三个运动关节构成。在人体下肢骨骼中，髋关节是中轴骨和下肢的基础关节，是人体骨骼的中央枢纽点。膝关节包括外胫股关节、内胫骨关节和髌股关节，具有重要的生物力学功能，可

第2章下肢康复机器人建模及动力学分析11进行弯曲和伸展以及内旋和外旋运动。踝关节由胫骨、腓骨和距骨组成。从解剖学角度，踝关节是铰链关节，关节良好的吻合再加上内测韧带、外侧韧带、前后距腓骨和跟腓骨韧带使之非常稳定。踝关节的运动是围绕着穿过距骨主体和两踝尖端的旋转轴发生。根据人体解剖学原理，可以把人体分成三个相互垂直的轴以及对应的相互垂直的面。如图2-2所示的解剖学人体坐标面，前后方向的水平线被称为矢状轴，左右方向的水平线被称为冠状轴，上下方向的垂线被称为垂直轴。与地面平行，将人体分为上下两部分的切面叫水平面，沿矢状轴方向将人体分为左右两部分的切面叫矢状面，沿额状轴方向将人体分为前后两部分的切面叫冠状面[61]。矢状面冠状面横断面图2-2解剖学坐标面在康复训练的初始阶段，髋膝踝三个关节的运动主要发生在矢状面。因此，基于人体下肢在矢状面的运动特性，也为了简化下肢康复机器人数学模型的建立，接下来只考虑下肢在矢状面上的运动，即建立矢状面上的下肢康复机器人模型。2.3人体下肢模型由于人体下肢是由骨骼、肌肉和筋膜等构成，因此，从康复医学角度出发，说明人体下肢是一个刚柔耦合系统。一般情况下，髋关节有三个自由度，分别是屈伸、内收外展和内旋外旋；膝关节只有一个自由度，即屈伸运动；踝关节跟髋关节一样也是有三个自由度，分别是屈伸、内翻外翻和内旋外旋[62]。在康复训练中，尤其是患者被动康复初期，患肢主要在矢状面运动。因此，髋膝踝三个关节只各有一个自由度，即屈伸运动，此时，人体下肢运动系统是三个自由度的刚柔耦合系统。因此，本文建立下肢康复机器人的具体流程如图2-3所示。
【参考文献】

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本文编号：2889579