上肢康复机器人控制系统设计

在传统治疗方法中主要由医务人员来辅助偏瘫患者完成康复训练,为减轻医务人员的劳动强度、提高康复训练的效果,基于阻抗控制方法为四自由度上肢康复机器人设计控制系统,实现康复机器人辅助患者完成康复训练。对控制方法进行分析后基于工业控制计算机搭建硬件平台,并分别对单关节运动、多关节连动进行理论分析、软件仿真,信号测试和样机实验。基于阻抗控制的上肢康复机器人控制系统能实现辅助患者完成沿规划轨迹的被动训练和跟随患者运动意识的主动训练。     

体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人系统

为辅助患肢进行自主康复训练,研制了一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人系统。设计了可穿戴式三自由度上肢康复机械臂,利用Kinect传感器提取人体6个骨骼关节点数据,计算所需控制参数,将健肢的体势动作转化为控制信号,控制机械臂带动患肢做镜像或同步运动康复训练。搭建了上肢外骨骼康复机器人系统实验平台,分别进行了单关节镜像控制和多关节联动同步控制穿戴实验,系统具有良好的体感控制随动性能,能满足上肢康复训练的要求。     

一种气动驱动新型上肢康复机器人

结合临床康复医学理论及临床康复经验对上肢康复机器人方案进行研究,设计了一种应用于偏瘫患者康复训练的气动式上肢康复柔性机器人,进而将气动技术的安全性、柔顺性应用到康复领域中来,有效地实现了患肢由完全被动到以被动为主逐渐到以主动为主,最后康复到完全主动训练过程的适宜模式.     

一种新型踝关节康复机器人系统设计

脑卒中患者因运动功能神经损伤造成肢体运动功能障碍,对患者日常生活水平造成严重影响.踝关节作为人体下肢的承重关节,是维持人体站立、行走和跑跳等运动的关键部位,也是卒后康复训练的重要内容.人工训练模式治疗师工作强度大,且因治疗师临床经验差异造成康复训练效果不同.现有康复辅助器械以健康者踝关节运动模型为基础,忽略了患者的个性化差异.本文利用人体左右对称的生理特征,提出一种新型的踝关节康复机器人,模拟治疗师康复手法,实现踝关节趾屈/背屈,内旋/外旋和内翻/外翻训练.该机器人由两个对称机构组成,允许脑卒中患者根据个体差异进行踝关节康复训练.通过运动学分析验证了踝关节康复机器人的机构设计的合理性.由于踝关节康复需要恢复力量和关节活动度,开发了两种踝关节训练模式:被动训练和融合训练.实验证明,在被动训练模式下,患者偏瘫侧踝关节可以活动到设定角度.在融合训练模式下,患者可以利用健侧踝关节的运动信息镜像映射到偏瘫侧踝关节进行训练.实验结果表明,新型踝关节康复机器人能够满足踝关节康复训练需求.     

外骨骼上肢康复机器人的结构设计与仿真研究

针对上肢轻度瘫痪患者自主进行康复理疗训练的问题,在深入了解传统康复训练的弊端和康复机器人所应具备性能的基础上,提出了一种可穿戴式的外骨骼上肢康复机器人设计方案。首先,从仿生学角度出发,对该康复机器人的整体机械结构进行了建模,并设计了3处长度调节固定机构;然后,对机器人各关节驱动力矩进行了理论分析与计算,通过模型动作编写了step函数,将函数与三维模型图导入Adams进行了动力学仿真;得到了各关节的驱动力矩曲线图,再将其与理论计算结果作了对比分析;最后,对肩关节支撑板和大臂支撑板进行了强度分析。研究结果表明:该外骨骼上肢康复机器人结构设计方案具有较高可行性,能帮助患者实现康复训练。     

基于屏障 Lyapunov 函数的上肢康复机器人 自适应主动交互训练控制

针对上肢运动功能障碍患者进行辅助康复训练,搭建了一套上肢康复外骨骼机器人系统,并提出一种基于屏障Lyapunov函数的增广神经网络自适应导纳控制策略。首先,介绍了上肢康复外骨骼的机械机构及其控制系统。然后,推演了控制器的设计过程并进行了Lyapunov稳定性证明。最后,分别进行了不同控制内环的轨迹跟踪被动训练实验和不同导纳参数下基于人机交互力的主动交互训练实验,同时分析比对了主动训练时的人机交互力与轨迹偏差的变化关系。被动训练实验结果证明了增广神经网络对人机模型动力学的逼近效果,其轨迹跟踪峰值误差为模糊PID控制器的53%。主动交互训练实验证明了通过调整导纳参数可实现在相同训练任务下不同强度的康复训练以匹配不同康复阶段下的患者。     

基于层次分析法的上肢康复辅具设计研究

为帮助偏瘫患者进行上肢运动功能康复训练，本文通过用户调研和深度访谈进行需求提炼，运用层次分析法构建决策目标方案模型，计算各功能要素权重，得到需求功能优先级排序，分析对上肢康复辅具设计影响较大的因素。通过各要素权重分析比较，发现连接结构稳定、贴合人体上肢曲面和关节角度范围设置是影响康复辅具设计的主要因素，为偏瘫患者设计了一款上肢运动功能康复辅具。     

上肢康复机器人关键技术研究进展

上肢运动功能的丧失或减弱严重降低患者生活质量,机器人助力康复训练技术能有效地促进患者上肢运动功能的恢复.本文对上肢康复机器人现状进行了文献追踪研究,将上肢康复机器人分为外骨骼式和末端牵引式两大类,并围绕各自的结构、驱动形式、人机交互性、控制策略、训练模式、适用关节等多项技术进行总结对比,提出了上肢康复机器人在医、工结合中存在的关键问题和技术方案,并讨论了上肢康复机器人的技术发展趋势,可为相关研究提供方向借鉴.     

欠驱动余度机械臂的无碰撞运动规划与控制

基于周期运动的非线性动力学分析,发现欠驱动机械臀在小幅振动输入条件下有运动漂移现象,即当欠驱动机械臂的主动关节小幅振动时,被动关节的平衡位置将发生漂移。基于这一现象提出了被动关节位置控制的余弦函数小振幅控制方法:把人工势场方法引入冗余度机械臂的避障运动规划,提出了欠驱动冗余度机械臂的虚拟模型运动规划方法:把以上两种方法有机结合,提出了一种欠驱动冗余度机械臂的避障运动规划和控制方案,对平面三连杆欠驱动机械臂进行了仿真,仿真结果表明这一方法是可行的。     

一种偏瘫上肢复合运动的康复训练机器人

介绍了一种用于偏瘫上肢复合运动的康复训练机器人，该机器人可以带动患者患肢完成大范围、大幅度的复合动作训练，并可以实现主动、被动、抗阻、助力等多种训练模式，同时具有较高的安全性。     

A feasibility study on a robotic exercise system for mdof physical rehabilitation therapy

This paper presents a robot system developed for medical purpose. A 6-degree-of-freedom robot was introduced for physical exercise and rehabilitation. This system was proposed for stroke patients or patients who cannot use one of their arms or legs. The robot system exercises the hemiplegic part based on the motion of normal part of a patient. Kinematic studies on the human body and robot were applied to develop the robotic rehabilitation exercise system. A clamp which acts as an end effector of the robot to hold a patient was designed and applied to the robot to guarantee the safety of patients. The proposed robotic rehabilitation system was verified by simulations and experiments on arm (elbow and shoulder) motion. Patients are expected to be able to exercise various motions by themselves with the proposed robotic rehabilitation system.     

Design and experimental study of a passive power-source-free stiffness-self-adjustable mechanism

Passive variable stiffness joints have unique advantages over active variable stiffness joints and are currently eliciting increased attention. Existing passive variable stiffness joints rely mainly on sensors and special control algorithms, resulting in a bandwidth-limited response speed of the joint. We propose a new passive power-source-free stiffness-self-adjustable mechanism that can be used as the elbow joint of a robot arm. The new mechanism does not require special stiffness regulating motors or sensors and can realize large-range self-adaptive adjustment of stiffness in a purely mechanical manner. The variable stiffness mechanism can automatically adjust joint stiffness in accordance with the magnitude of the payload, and this adjustment is a successful imitation of the stiffness adjustment characteristics of the human elbow. The response speed is high because sensors and control algorithms are not needed. The variable stiffness principle is explained, and the design of the variable stiffness mechanism is analyzed. A prototype is fabricated, and the associated hardware is set up to validate the analytical stiffness model and design experimentally.     

基于足底力反馈的踝关节主被动康复策略

踝关节机能损伤人群数量增长与康复医师紧缺是现阶段面临的一个重要社会问题,为此,基于一款2-SPU/RR踝关节康复机器人提出一种主被动结合的辅助康复策略。首先建立虚拟样机模型和对应的结构简图,进行运动学分析,求解了机器人的工作空间,结果表明该机器人能够满足踝关节跖屈-背屈和内翻-外翻复合运动需求。然后针对目前康复机器人主要研究内容为被动康复问题,未能根据患者脚踝实际损伤情况进行康复,提出一种踝关节机器人主被动康复结合的方法。先预设康复运动轨迹,基于足底压力数据和力感知算法获得患者的运动意图,通过软硬件控制系统实现机器人主动跟随,同时将运动轨迹进行记录和数据化。最后对描迹轨迹进行优化,根据优化轨迹使用5段S型加减速控制方式进行定制化被动康复。主被动康复系统实现了机器人跟随控制与患者主动行为感知的结合,有助医师对踝关节机能损伤患者的诊断与治疗。     

基于虚拟现实技术的三自由度上肢康复机器人系统

研究了一套基于虚拟现实技术的3自由度上肢康复机器人系统.机器人传递运动部分采用连杆机构和3重轴;控制单元采用数字信号处理器（DSP）,绝对式编码器采集各轴旋转位置、方向信息,磁粉制动器实现各轴的负载、制动;人机交互方面,患者操作机器人末端手柄做虚拟现实技术开发的虚拟游戏.该系统能够提高患者的主动性和实现3自由度康复训练运动.     

多模式柔顺膝关节康复器设计及力分析

研究开发了一种多模式柔顺膝关节康复器,提出了无杆气缸+气动柔性驱动器的复合驱动技术,保证了对膝关节康复训练柔顺性和大行程的要求.设计了康复器的结构和控制系统的软、硬件,并对康复器的驱动力进行了分析.所研发的康复器可实现膝关节主动、被动等多种模式的康复训练.     

驱动支链完全解耦的可重构踝关节康复并联机构型综合

基于术后6～12周内的前、中、后期踝关节扭伤的康复运动需求,提出具有三种康复运动模式的可重构踝关节康复并联机构。首先,针对胫距关节和距下关节的轴线运动特征,研究踝关节康复运动切换机理和“双心”特性,提出符合踝关节自由度和轴线运动特性的六种融合支链;根据构型约束支链的选取方案,筛选出四种无约束支链。其次,基于旋量理论对六种融合支链进行过约束设计,验证符合实际需求的融合支链;根据传递力旋量与动平台运动轴线关系,提出一种驱动支链完全解耦优化方法,得到三种无约束驱动支链以及十二种机构构型,使得机构在三种康复模式中实现完全解耦。最后,通过ADAMS仿真验证机构的三种运动分支及完全解耦的正确性。可重构踝关节康复机器人依据患者康复需求采取对应康复模式,适用范围广,针对性强,控制简单。     

基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统的研究

将虚拟现实和外骨骼技术引入到肢体的康复工程，根据康复医学的运动疗法和作业疗法，为上肢残疾患者研制出手臂外骨骼康复系统，实现了手臂的运动控制，并构建了虚拟环境仿真平台。借助于触觉感知接口的力反馈作用可以使患者感觉到手臂受到的作用力。提出手臂功能康复测评方法，并建立患者康复病案数据库。手臂外骨骼康复系统为患者提供有效的肢体功能恢复的工具。     

Multi-objective optimization of a 3-DOF translational parallel kinematic machine

In this paper, stiffness modelling and analysis of a typical 3-DOF parallel kinematic machine (PKM) that provides translational motion along X, Y and Z axes is presented. The mechanism consists of three limbs each having an arm and a forearm with prismatic-revoluterevolute-revolute joints (PRRR). The joint arrangement is in such a way that the moving or tool platform maintains same orientation in the entire workspace. Through inverse kinematics, the joint angles for a given position of tool platform necessary for the stiffness modelling and analysis are obtained. The stiffness modelling is based on the compliance matrices of arm and forearm of each limb. Typical non-dimensional performance indices, namely, workspace volume index (WVI), global translational stiffness index (GTSI), and global rotational stiffness index (GRSI), are introduced and used to study the influence of dimensions. Attempts are also made to find the optimal dimensions of the translational PKM using multi-objective optimization based on the genetic algorithms (MOGA) in MATLAB. The methodology presented and the results obtained are useful for predicting the performance capability of the PKM under study.     

新型汽车电泳涂装输送机构的动力学建模*

针对一种新型汽车电泳涂装输送机构,提出一种结合解析几何法、旋量理论与虚功原理建立机构动力学模型的方法。充分利用该机构的对称结构特点,通过解析几何的方法分析该机构中各被动关节的速度、加速度,再引入旋量理论得出该机构各主动关节的速度、加速度,在此基础上应用虚功原理建立该机构旋量形式的动力学方程,进而计算出可直接实现控制的机构各主动关节轴向驱动力。利用Matlab和ADAMS软件分别对所建立模型进行仿真,仿真结果的一致性表明了该动力学模型的可靠性。所提出的动力学建模方法可简化建模过程,其步骤清晰,易于程序化实现,其研究结果可为进一步实现该新型汽车电泳涂装输送机构的高性能控制及实际工程应用奠定基础。