穿戴式下肢康復機器人的研究.ppt

,院系：機械工程與自動化學院 專業(yè)：機械制造及其自動化,穿戴式下肢康復機器人的研究,論文提綱,研究意義與現(xiàn)狀,下肢康復機器人方案設計與運動學分析,下肢康復機器人的步態(tài)規(guī)劃,下肢康復機器人步態(tài)康復模式的選擇,基于逆運動學和步態(tài)規(guī)劃的康復模式實現(xiàn),結(jié)論與展望,2,2020/8/12,研究意義與現(xiàn)狀,1,研究意義,我國每年發(fā)生腦卒中病人達200萬，現(xiàn)存中風病人約700萬，其中450萬人具有不同程度的喪失勞動和生活自理能力，致殘率高達65%，其中以肢體活動障礙為主。另外每年交通事故以及其它意外事故造成的下肢障礙患者也達數(shù)十萬人。 研究表明，由神經(jīng)損傷引起的肢體運動障礙患者可以通過后天的康復訓練部分或者完全恢復活動能力。 但是，我國醫(yī)療條件有限，專業(yè)康復醫(yī)療機構(gòu)設置較少，從業(yè)的醫(yī)療技師數(shù)量有限，導致許多下肢障礙患者沒有條件和機會進行康復訓練，從而錯過了最佳的康復時期，造成終身遺憾。 因此，對于可替代康復醫(yī)師對下肢障礙患者進行康復訓練的機器人研究很有必要。,3,2020/8/12,研究意義與現(xiàn)狀,1,研究現(xiàn)狀,懸吊式,非懸吊式,4,2020/8/12,研究意義與現(xiàn)狀,1,5,2020/8/12,下肢康復機器人方案設計與運動學分析,自由度確定,尺寸確定,驅(qū)動方式確定,下肢康復機器人 模型,下肢康復訓練機器人三維模型,本體設計,6,2020/8/12,正運動學分析,連桿參數(shù)表,式2.1,式2.2,式2.3,7,2020/8/12,下肢康復機器人方案設計與運動學分析,正運動學仿真,右下肢足底位移軌跡,8,2020/8/12,下肢康復機器人方案設計與運動學分析,下肢康復機器人的步態(tài)規(guī)劃,步態(tài)規(guī)劃的意義,康復機器人的步態(tài)周期,9,2020/8/12,下肢康復機器人的步態(tài)規(guī)劃,步態(tài)規(guī)劃方法,基于能量原理的步態(tài)規(guī)劃方法,基于HMCD的步態(tài)規(guī)劃方法,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的步態(tài)規(guī)劃方法,基于ZMP穩(wěn)定判據(jù)步態(tài)規(guī)劃方法,10,2020/8/12,下肢康復機器人的步態(tài)規(guī)劃,基于ZMP穩(wěn)定判據(jù)的步態(tài)規(guī)劃,建立倒立擺模型,倒立擺質(zhì)心運動方程,ZMP方程,倒立擺的動力學方程,11,2020/8/12,下肢康復機器人的步態(tài)規(guī)劃,步態(tài)規(guī)劃,步態(tài)規(guī)劃相關假設： 重心（質(zhì)心）的姿態(tài)、高度固定不變， 且加速度為零 ； 在單腳支撐時，ZMP固定，坐標原點就 是ZMP； 機器人重心在雙腳支撐時是勻速運動； 機器人雙腳高度忽略不計； 下肢康復機器人初始運動時在x和y方 向上的速度為零。 康復機器人在行走過程中，兩腳底坐 標系之間的距離、姿態(tài)始終不變。,12,穿戴式康復機器人步行的COG軌跡和ZMP軌跡,2020/8/12,下肢康復機器人的步態(tài)規(guī)劃,質(zhì)心運動軌跡規(guī)劃,起步階段,前向平面,側(cè)向平面,中步階段,止步階段,起步階段,中步階段,止步階段,X向,Y向,質(zhì)心的軌跡規(guī)劃,13,2020/8/12,下肢康復機器人的步態(tài)規(guī)劃,質(zhì)心的軌跡規(guī)劃,起步階段,中步階段,止步階段,14,2020/8/12,下肢康復機器人的步態(tài)規(guī)劃,擺動腿步態(tài)規(guī)劃,擺動腿運動軌跡規(guī)劃,起步階段,中步階段,止步階段,X向,Y向,X向,Y向,X向,Y向,15,2020/8/12,下肢康復機器人的步態(tài)規(guī)劃,擺動腿軌跡規(guī)劃,起步階段,中步階段,X向,Z向,X向,Z向,16,2020/8/12,下肢康復機器人的步態(tài)規(guī)劃,擺動腿軌跡規(guī)劃,止步階段,X向,Z向,17,2020/8/12,康復訓練流程,個人信息：年齡、性別、身高、平均半步長度、下肢運動穩(wěn)定性 康復模式確定：模糊綜合評判方法 康復訓練：結(jié)合步態(tài)規(guī)劃利用逆運動學求解各關節(jié)轉(zhuǎn)角,18,2020/8/12,下肢康復機器人步態(tài)康復模式的選擇,模糊綜合評判,由于同一事物具有多種屬性，因此在評價事物時應該兼 顧各個方面，必須對多個相關的因素進行綜合考慮，這就是 所謂的綜合評判，如果這種評判涉及模糊因素，便是模糊綜 合評判問題。 步驟： 建立因素集 建立備擇集 單因素模糊評判 建立權(quán)重集 模糊綜合評判,19,2020/8/12,下肢康復機器人步態(tài)康復模式的選擇,利用模糊綜合評判選擇康復模式,因素集,備擇集,各單因素評判集,權(quán)重集,合成運算的選擇,評判指標的處理,平均半步長、年齡、性別、身高、下肢穩(wěn)定性,八種不同的步幅訓練運動模式,影響因素隸屬度表,采用最大隸屬度原則,20,2020/8/12,下肢康復機器人步態(tài)康復模式的選擇,1：因素集合：,21,2020/8/12,下肢康復機器人步態(tài)康復模式的選擇,2：備擇集合：,22,2020/8/12,下肢康復機器人步態(tài)康復模式的選擇,3：影響因素隸屬度表,23,2020/8/12,下肢康復機器人步態(tài)康復模式的選擇,4：權(quán)重集,5：合成運算的選擇,6：評判指標的處理：,利用最大隸屬度原則：選擇b值最大者的下標對應的康復模式作為目標模式。,24,2020/8/12,下肢康復機器人步態(tài)康復模式的選擇,計算實例,25,2020/8/12,下肢康復機器人步態(tài)康復模式的選擇,基于逆運動學和步態(tài)規(guī)劃的康復模式實現(xiàn),逆運動學原理,26,2020/8/12,基于逆運動學和步態(tài)規(guī)劃的康復模式實現(xiàn),逆運動學原理,理想位姿確定？,理論位姿求解？,位姿差值求解？,角度修正量求解？,27,2020/8/12,基于逆運動學和步態(tài)規(guī)劃的康復模式實現(xiàn),理想位姿確定,擺動腿位置：,質(zhì)心位置：,三者位姿變換關系：,質(zhì)心軌跡曲線,擺動腿軌跡曲線,因此，右足末端相對于坐標系6之間 的位姿：,28,2020/8/12,基于逆運動學和步態(tài)規(guī)劃的康復模式實現(xiàn),右足末端相對于坐標系6 之間的正變換矩陣：,理論位姿求解,29,2020/8/12,基于逆運動學和步態(tài)規(guī)劃的康復模式實現(xiàn),位姿差值求解,其中：,30,2020/8/12,基于逆運動學和步態(tài)規(guī)劃的康復模式實現(xiàn),角度修正量求解,雅可比矩陣的定義式：,方法二：,方法一：,角度修正量：,31,2020/8/12,基于逆運動學和步態(tài)規(guī)劃的康復模式實現(xiàn),逆運動求解,康復對象：1.60m男子利用康復模式1進行訓練 研究過程：結(jié)束雙支撐期為起點右足擺動剛接觸地面為終點 相關參數(shù)： 小腿長0.39m，大腿長0.38m，腰部寬度2d=0.30m; 起始時刻質(zhì)心高度0.85m； 半步長為0.1m，跨高0.05m，中步階段時間ts1=0.175s，雙足之間的距離為0.3m。,32,2020/8/12,基于逆運動學和步態(tài)規(guī)劃的康復模式實現(xiàn),中步階段質(zhì)心運動軌跡,y向軌跡,X向軌跡,y向軌跡,X向軌跡,33,2020/8/12,基于逆運動學和步態(tài)規(guī)劃的康復模式實現(xiàn),中步階段擺動腿運動軌跡,X向軌跡,Z向軌跡,Z向軌跡,X向軌跡,34,2020/8/12,基于逆運動學和步態(tài)規(guī)劃的康復模式實現(xiàn),求解結(jié)果,逆運動學數(shù)值解：關節(jié)角度與時間的關系,曲線擬合工具箱,質(zhì)心、擺動腿軌跡抽樣,35,2020/8/12,基于逆運動學和步態(tài)規(guī)劃的康復模式實現(xiàn),thet12,thet11,thet10,thet8,thet7,36,2020/8/12,結(jié)論與展望,結(jié)論,展望,1、提出了一種穿戴式下肢康復機器人結(jié)構(gòu)方案，進行了正運動學分析； 2、采用倒立擺模型和ZMP穩(wěn)定判據(jù)相結(jié)合的方法進行步態(tài)規(guī)劃，得到了機器人質(zhì)心和擺動腿的軌跡； 3、提出了利用模糊綜合評判的方法為患者選擇步態(tài)康復模式方案； 4、利用數(shù)值解求逆運動學的方法得到了步態(tài)康復模式F1中步階段的左腳支撐時右側(cè)下肢各關節(jié)角度的變化曲線及其函數(shù)表達式，通過經(jīng)驗判定得到的結(jié)果有效。為穿戴式下肢康復訓練機器人控制系統(tǒng)的建立提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。,1、穿戴式下肢康復機器人的本體設計還有待于進一步完善； 2、利用數(shù)值解進行逆運動學分析時，當前算法收斂速度不夠迅速、容錯性不強， 下一步的研究可以考慮引進智能算法進行改進，以使算法具有更好的收斂性和魯棒性； 3、對患者進行離線的康復狀況判定使控制系統(tǒng)有非實時性的不足，隨著生物探測和反饋控制技術的不斷發(fā)展，在線監(jiān)測患者康復狀態(tài)的技術必將應用于下肢康復機器人領域，屆時將為患者提供實時的康復監(jiān)測結(jié)果。,37,2020/8/12,謝謝！ 歡迎各位老師批評指導！,38,2020/8/12,