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1、
氣動(dòng)肌肉腕關(guān)節(jié)和下肢康復(fù)機(jī)器人及其控制技術(shù)研究
康復(fù)訓(xùn)練以神經(jīng)可塑性為理論依據(jù) , 能讓肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙患者重新獲得日常行為能力。 康復(fù)機(jī)器人能夠帶動(dòng)患者進(jìn)行可重復(fù)、 高精度的康復(fù)運(yùn)動(dòng) , 減少了醫(yī)生的工作強(qiáng)度 , 增加了患者的訓(xùn)練時(shí)間和訓(xùn)練強(qiáng)度 , 提高了康復(fù)效果。我國(guó)在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域還處于起步階段。
因此 , 研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的康復(fù)機(jī)器人具有深遠(yuǎn)的意義。本文以安全可靠及成本低廉為目標(biāo) , 采用氣動(dòng)肌肉作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器研制了
2 款分別用于腕關(guān)節(jié)康復(fù)和下肢步態(tài)矯正的康復(fù)機(jī)器人。再?gòu)陌踩刂频慕嵌瘸霭l(fā) , 引入了一種新型的代理滑?？刂品椒▽?duì)
2、所研制的康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行位置控制。 并針對(duì)該方法在氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的康復(fù)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制中缺乏魯棒性的問題 , 分別采用神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)代理滑模控制中的局部參數(shù)進(jìn)行在線自調(diào)節(jié)的方法 , 對(duì)代理滑?？刂七M(jìn)行了改進(jìn)。在不改變其特有的安全特性的前提下 , 增強(qiáng)了其魯棒性。首先, 為了了解氣動(dòng)肌肉的輸出特性 , 為康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供依據(jù) , 本文對(duì)現(xiàn)有的氣動(dòng)肌肉模型進(jìn)行了改進(jìn)。 針對(duì)氣動(dòng)肌肉橡膠筒壁厚及彈性模量隨氣動(dòng)肌肉伸展 / 收縮而發(fā)生變化的實(shí)際情況 , 對(duì)氣動(dòng)肌肉靜態(tài)力學(xué)模型中的彈性恢復(fù)力項(xiàng)進(jìn)行了修正 , 通過實(shí)驗(yàn)確定了彈性恢復(fù)力修正系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 , 提高了氣動(dòng)肌肉模型的精度。 其次 , 針對(duì)
3、已有的腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人很少考慮上肢康復(fù)機(jī)器人與手功能外骨骼的相
容性 , 只適用于還具有抓握能力患者的問題 , 本文研制出一款氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的便攜式 2 自由度腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人樣機(jī) , 適用于無力抓握的患者。它具有減輕病人承重負(fù)擔(dān) , 避免與手指運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉 , 運(yùn)動(dòng)過程
更加自然 , 穿戴方便舒適等優(yōu)點(diǎn)。 再次 , 針對(duì)現(xiàn)有下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器
人質(zhì)量大 , 成本高 , 柔順性差的問題 , 本文研制了一款氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的
應(yīng)用于步態(tài)矯正的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人。 它能夠帶動(dòng)人體髖膝關(guān)節(jié)
的屈伸運(yùn)動(dòng) , 實(shí)現(xiàn)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練 , 具有重量小
4、 , 成本低 , 安全性好的優(yōu)
點(diǎn)。然后 , 針對(duì)現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人底層位置控制大多以提高控制精度為
目標(biāo) , 而忽視了位置控制的安全性問題 , 本文采用基于代理的滑模
(Proxy-based sliding mode control,PSMC) 控制器和獨(dú)立的關(guān)節(jié)柔
順性控制器相結(jié)合的方法 , 提高了康復(fù)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的安全性。
PSMC控制器在保證控制精度的同時(shí) , 對(duì)不可預(yù)測(cè)的大位置誤差具有慢
速過阻尼調(diào)節(jié)作用 , 避免了傳統(tǒng)控制方法調(diào)節(jié)過程中過高的關(guān)節(jié)角速
度可能對(duì)患者造成的二次傷害 , 具有很強(qiáng)的安全性能。獨(dú)立的關(guān)節(jié)
5、柔
順性控制器利用氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)內(nèi)力大小對(duì)安全性能的影響以及氣動(dòng)
肌肉關(guān)節(jié)內(nèi)力 / 柔順性與初始張緊氣壓之間的關(guān)系 , 在不影響位置控
制的同時(shí) , 減小了關(guān)節(jié)內(nèi)力 , 進(jìn)一步提升了氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)的安全性能。
最后 , 針對(duì)實(shí)際樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中 PSMC對(duì)不同負(fù)載情況下的氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)
位置控制缺乏魯棒性的問題 , 本文對(duì) PSMC控制器提出了 2 種改進(jìn)方
法 : 采用神經(jīng)元 PID 控制器代替 PSMC中的 PID 控制器和引入 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié) PSMC控制律中的飽和函數(shù)內(nèi)的等效 PID 系數(shù)。通過神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)能力 , 實(shí)現(xiàn) PID 控制參數(shù)的在線自調(diào)節(jié) , 既增強(qiáng)了魯棒性 , 又保留了 PSMC特有的安全特性。通過康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)的穿戴實(shí)驗(yàn) , 驗(yàn)證了改進(jìn)后的參數(shù)自調(diào)節(jié) PSMC作為關(guān)節(jié)位置控制器的有效性和可行性。
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氣動(dòng)肌肉腕關(guān)節(jié)和下肢康復(fù)機(jī)器人及其控制技術(shù)研究
