氣動肌肉腕關(guān)節(jié)和下肢康復(fù)機器人及其控制技術(shù)研究

氣動肌肉腕關(guān)節(jié)和下肢康復(fù)機器人及其控制技術(shù)研究康復(fù)訓練以神經(jīng)可塑性為理論依據(jù) , 能讓肢體運動功能障礙患者重新獲得日常行為能力。 康復(fù)機器人能夠帶動患者進行可重復(fù)、 高精度的康復(fù)運動 , 減少了醫(yī)生的工作強度 , 增加了患者的訓練時間和訓練強度 , 提高了康復(fù)效果。我國在康復(fù)機器人領(lǐng)域還處于起步階段。因此 , 研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的康復(fù)機器人具有深遠的意義。本文以安全可靠及成本低廉為目標 , 采用氣動肌肉作為關(guān)節(jié)驅(qū)動器研制了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)機器人。再從安全控制的角度出發(fā) , 引入了一種新型的代理滑?？刂品椒▽λ兄频目祻?fù)機器人樣機進行位置控制。 并針對該方法在氣動肌肉驅(qū)動的康復(fù)機器人關(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)對代理滑?？刂浦械木植繀?shù)進行在線自調(diào)節(jié)的方法 , 對代理滑模控制進行了改進。在不改變其特有的安全特性的前提下 , 增強了其魯棒性。首先, 為了了解氣動肌肉的輸出特性 , 為康復(fù)機器人設(shè)計提供依據(jù) , 本文對現(xiàn)有的氣動肌肉模型進行了改進。 針對氣動肌肉橡膠筒壁厚及彈性模量隨氣動肌肉伸展 / 收縮而發(fā)生變化的實際情況 , 對氣動肌肉靜態(tài)力學模型中的彈性恢復(fù)力項進行了修正 , 通過實驗確定了彈性恢復(fù)力修正系數(shù)的數(shù)學表達式 , 提高了氣動肌肉模型的精度。 其次 , 針對已有的腕關(guān)節(jié)康復(fù)機器人很少考慮上肢康復(fù)機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肌肉驅(qū)動的便攜式 2 自由度腕關(guān)節(jié)康復(fù)機器人樣機 , 適用于無力抓握的患者。它具有減輕病人承重負擔 , 避免與手指運動發(fā)生干涉 , 運動過程更加自然 , 穿戴方便舒適等優(yōu)點。 再次 , 針對現(xiàn)有下肢外骨骼康復(fù)機器人質(zhì)量大 , 成本高 , 柔順性差的問題 , 本文研制了一款氣動肌肉驅(qū)動的應(yīng)用于步態(tài)矯正的下肢外骨骼康復(fù)機器人。它能夠帶動人體髖膝關(guān)節(jié)的屈伸運動 , 實現(xiàn)步態(tài)康復(fù)訓練 , 具有重量小 , 成本低 , 安全性好的優(yōu)點。然后 , 針對現(xiàn)有康復(fù)機器人底層位置控制大多以提高控制精度為目標 , 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, 對不可預(yù)測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)角速度可能對患者造成的二次傷害, 具有很強的安全性能。獨立的關(guān)節(jié)柔順性控制器利用氣動肌肉關(guān)節(jié)內(nèi)力大小對安全性能的影響以及氣動肌肉關(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 , 減小了關(guān)節(jié)內(nèi)力 , 進一步提升了氣動肌肉關(guān)節(jié)的安全性能。最后 , 針對實際樣機實驗中PSMC對不同負載情況下的氣動肌肉關(guān)節(jié)位置控制缺乏魯棒性的問題, 本文對 PSMC控制器提出了 2 種改進方法 : 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)的在線學習能力 , 實現(xiàn) PID 控制參數(shù)的在線自調(diào)節(jié) , 既增強了魯棒性 , 又保留了 PSMC特有的安全特性。通過康復(fù)機器人樣機的穿戴實驗 , 驗證了改進后的參數(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。法法 法