套索驱动重力平衡上肢康复外骨骼研究

发布时间：2017-12-19 21:34

  本文关键词：套索驱动重力平衡上肢康复外骨骼研究　出处：《东南大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：脑卒中是由于脑血管闭塞或破裂而造成的严重神经系统疾病,具有高发病率、高死亡率、高致残率以及高复发率等特点,往往会导致患者出现偏瘫和运动功能障碍。在传统的偏瘫临床治疗过程中,医师通常以徒手方式对患者进行一对一的康复治疗,治疗效果受到医师个人的治疗手段、经验差异、主观意识以及疲劳程度的影响,劳动强度大,护理成本高昂。康复训练机器人是医疗机器人的重要分支,可以辅助甚至替代医师为偏瘫患者提供持续、有效以及多模式的康复治疗,缓解康复医疗人力资源紧缺问题,并强化患者的主动训练意识,为评估患者病情和改进治疗方案提供客观依据,加快患肢运动功能的恢复速度。本文根据上述相关研究背景,针对上肢偏瘫康复治疗涉及的关键问题,设计了一种基于套索驱动的重力平衡上肢外骨骼机器人,适用于偏瘫患者进行上肢康复训练,论文的主要内容如下：基于偏瘫康复治疗基础研究理论以及人体上肢的解剖学和运动学特征,针对上肢康复外骨骼系统的适用性、协调性、安全性以及轻便性提出结构设计要求。详细介绍了具有重力平衡特性的套索驱动上肢康复外骨骼系统,主要包括肩关节运动模块、肘关节和腕关节运动模块、肩关节自适应移动平台、套索驱动模块以及实时控制系统。基于Matlab/RTW/xPC实时开发目标环境,搭建传感检测系统和半物理实时运动控制平台。建立外骨骼机器人关节坐标系和正运动学模型,利用蒙特卡洛法分析外骨骼的工作空间,利用混合积法分析奇异位姿分布特点,指导肩关节结构优化设计,采用矢量积法求解机器人雅可比矩阵。基于肘关节旋转角概念来描述人体上肢运动过程中的冗余特性,提出的“上肢-嘴部共而”假设来估算上肢自由运动过程中的肘关节旋转角位置,并推导出完整的外骨骼冗余运动学逆解。利用可穿戴运动捕捉系统来分析上肢在喝水、翻书、拉抽屉以及擦桌面过程中的运动学数据,验证共而假设和冗余运动学逆解的适用性。基于“混合平衡法”建立上肢外骨骼机器人的重力平衡模型,通过添加辅助平行连杆来定位系统整体重心,通过添加辅助弹簧、滑轮以及钢丝绳等来平衡外骨骼与上肢受到的重力作用,保证运动过程中系统总势能维持恒定。研究系统重力平衡鲁棒性,推导平衡误差分析模型,通过仿真分析由于人体测量参数变化而导致的平衡误差以及关节残余力矩。通过实验比较在重力平衡和非平衡状态下，上肢牵引外骨骼运动过程中肱二头肌的表面肌电信号,验证重力平衡的节能效果。基于库伦摩擦模型以及微元受力平衡分析,建立准静态条件下单套索传动系统的力传递模型和弹性伸长模型,以及双套索传动系统的力矩传递模型。搭建双套索传动特性分析实验平台,对力矩传递模型的仿真结果进行实验验证,并研究系统预紧力、套索全曲率、润滑条件以及滚轮半径等因素对传动效率的影响。基于拉格朗日法推导外骨骼机器人和人体上肢整体的动力学模型,并设计摩擦模型参数辨识实验对系统摩擦进行分析,采用墩小二乘法对的摩擦模型参数进行拟合处理。针对不同康复阶段的偏瘫患者临床特征设计对应的康复训练控制策略。针对急性期偏瘫患者设计模糊滑模变结构控制算法,外骨骼沿着预定的轨迹牵引患肢进行被动模式训练。针对恢复期偏瘫患者设计基于最小干涉原则的导纳控制算法,根据患肢的运动偏差来划分控制区域并调整外骨骼所提供的辅助力,帮助患者完成助力模式训练。针对后遗症期患者设计基于导纳控制和虚拟现实游戏场景的主动康复训练策略,增强训练过程的交互感和趣味性,患者抵抗外骨骼施加的阻力进行主动训练治疗。分别对每种康复训练控制策略的可行性和训练效果进行了实验验证。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R49;TP242

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本文编号：1309544