由于我国60岁以上老年人口增加、人们饮食习惯的改变等诸多原因,脑卒中发病率在我国大大提高,而术后的脑卒中患者存在着偏瘫等后遗症,需要进行运动康复训练恢复其身体机能。但我国存在着康复治疗医院稀少,正规的康复理疗师数目不足等问题,故短缺的康复治疗资源与患者的运动康复需求这对矛盾日益彰显。随着机器人技术、检测技术、无线通讯等技术的高速发展与成熟,利用康复机器人牵引患者患肢进行康复运动不仅可以减省人力,使患者得到专业护理,还可以采集运动数据,给出康复效果的客观评价。本文针对偏瘫患者的上肢运动康复需求,研究设计了人机共融交互性好的上肢外骨骼康复机器人控制系统,其主要包括机器人执行机构、驱动机构、上层主控计算机、底层运动控制器、传感器模块、生理指标检测模块、能源模块等,该康复机器人可感知运动意图,具有良好的人机界面,能完成患者信息采集、方案制定、运动控制等任务,并设置保护措施,满足代替人工方式对偏瘫患者上肢进行锻炼的需要。本文主要研究与工作内容如下:(1)系统组成设计。通过对上肢康复机器人的国内外目前先进技术的研究与分析,结合本课题上肢外骨骼康复机器人的需求和指标,完成了机器人的系统组成设计。参照人体上臂臂长参数和活动关节角度,设计上肢外骨骼康复机器人为主从双臂同型同构各五自由度形式,进一步根据控制系统需求,完成了控制架构和电机等硬件选型的设计。(2)运动模型分析。通过齐次坐标变化下的人体上肢模型,利用蒙特卡洛算法,得到人体上肢末端腕部的活动空间;建立康复机器人D-H运动模型,通过计算得到机器人运动学正、逆解析式,并对其进行了仿真得到机械臂模型与康复机器人末端腕部活动空间,验证了所设计的机器人活动范围与人体上肢活动范围基本一致,符合需求;进而对机器人训练臂康复轨迹进行规划,使训练轨迹平滑柔顺,为控制问题打下运动学基础。(3)主从训练方法设计。设计多种运动锻炼模式以满足不同偏瘫患者的需求;为提高人机共融性设计了一种基于模糊逼近的主从训练控制方法,使患者患肢可根据健康侧肢体运动意图进行双臂协同训练,主从训练控制器的稳定性通过Lyapunov函数验证,并进行仿真验证方法效果,保证了从臂跟随主臂的康复运动效果。在训练过程中,设计了以机器人状态和患者生理情况的双轨并行防护机制,保护患者的安全。(4)控制系统搭建。在运动学模型与训练控制方法的基础上,底层运动控制与上层主控管理结合的分层式控制方法应用于上肢外骨骼康复机器人控制系统。Trio BASIC语言设计了底层运动控制子程序,完成了康复机器人的运动控制与信息采集;利用Visual Studio 2017软件使用C#语言设计了上层主控计算机管理系统,主要完成任务的规划、运功控制指令下达、信息管理等功能,为康复机器人与人之间提供了良好的沟通界面,提高了康复机器人的智能化与人际交互性。(5)样机试验应用验证。完成了“前伸内旋”和“外展”两组动作,验证机器人对轨迹的跟踪精度与活动范围,能满足康复训练运动的要求。本课题研究了上肢外骨骼康复机器人控制系统,患者通过健康侧肢体穿戴主臂,患病侧肢体穿戴从臂进行运动康复训练,同时控制系统可根据采集信息进行实时控制并防止对患者造成伤害,其控制系统鲁棒性好,轨迹跟随精度高,并提供良好的人机界面与信息管理系统,可以通过智能方法获取在康复锻炼过程中患者状态与评价效果的数据,为改进训练方案提高医疗水平提供数据支持,对机器人领域与康复医疗领域均具有重大意义。
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