上肢运动康复外骨骼肩关节优化设计与系统应用

针对脑卒中患者早期肌肉力量严重不足,需要密集重复性运动康复训练的情况,设计一套外骨骼机器人系统,并结合传统运动疗法提出镜像训练、示教训练和轨迹重复训练等训练模式.镜像训练通过健肢引导患肢运动,促使患者自主训练;示教训练由理疗师引导患肢运动,实现“一对多”分布式训练;轨迹重复训练能够按照理疗师指定的特定轨迹患肢进行动作重复训练.外骨骼机器人系统包含负责位姿检测的主外骨骼和负责动作辅助的从外骨骼2个子系统,两者具有相同的七自由度上肢串联运动学模型.根据人体肩关节旋转中心生理运动形式优化设计外骨骼自适应肩关节,提高了人机运动链相容性.临床实验结果表明:外骨骼系统能够为脑卒中患者提供安全可靠的运动训练.     

WAM机器人辅助上肢康复训练技术应用研究

运用WAM机器人辅助偏瘫上肢进行康复训练,从机器人运动参数和传统医学评估方法两方面分析验证康复训练的有效性.基于WAM机器人搭建实验平台,设计"十"字和"米"字康复训练方式,添加趣味性游戏,招募上肢偏瘫患者跟踪进行康复训练与评估.采集WAM机器人的轨迹和转矩信息,分析康复训练前后轨迹跟踪误差和转矩变化,评价患肢的运动功...     

上肢康复训练轨迹定制优化及柔顺跟踪控制

卒中后早期的被动康复训练可以促进患者脑神经重塑甚至重获肢体运动能力。针对多数上肢康复机器人将参数化规则曲线作为被动训练的轨迹,没能融合康复医师的经验及患者的个体特征,或者缺乏三维个性轨迹的光滑优化以及训练过程中的安全柔顺交互的问题。本文基于新型末端牵引式3自由度上肢康复机器人开展轨迹个性化定制优化以及跟踪控制研究。首先,在笛卡尔空间应用导纳算法及力补偿策略实现理疗师对轨迹的定制。然后,用道格拉斯-普克法压缩原始轨迹数据得到型值点,保留初始轨迹的拓扑形状。用非均匀有理B样条曲线(NURBS)进行插值,并融合动态切换概率和t变异改进蝴蝶优化算法(BOA)优化拟合的轨迹。最后,设计基于RBF网络的滑模自适应以及速度前馈加PID的控制策略实现末端轨迹跟踪,并增加导纳-阻抗控制形成基于力阈值的多模式柔顺跟踪控制,保证较大人机交互力时的安全。结果表明定制机器人末端轨迹的拖动力在5N以内;改进的BOA算法具有更高的收敛速度和精度,优化的轨迹曲率和更小;轨迹跟踪控制策略可以将跟踪误差控制在6mm内;模式切换在0.3s内响应并顺应较大交互力而提高训练的安全性。     

外骨骼式上肢康复机器人及其控制方法研究

提出了一种融合单、多关节及日常生活功能行动作训练的5自由度外骨骼式偏瘫上肢康复机器人系统.根据偏瘫患者上肢单侧受损的特点,提取偏瘫患者的健侧肢体运动的表面肌电信号用于驱动康复机器人辅助患者患侧肢体实现康复训练动作.采用肌电绝对值积分和自回归参数模型法对上肢运动中参与动作的4块肌肉产生的sEMG信号分别进行特征提取,并分别作为基于Levenberg-Marquardt算法的反向传播神经网络的输入,6个上肢运动作为输出建立表面肌电信号与上肢康复动作之间的关系.试验结果表明该方法利用sEMG准确地完成了对上肢康复动作的识别.该方法有利于提高中枢神经系统紧张度,促进血液循环,在康复的同时防止并发症的产生,更有利于提高患者运动积极性,保持患者正确运动的感觉.     

下肢康复机器人轨迹自适应滑模阻抗控制

针对下肢康复机器人训练任务规划和主动康复控制问题,提出了一种能够根据受损患肢病况进行步态轨迹规划的策略,并设计了可实现主动康复训练的控制算法。步态轨迹规划能够根据不同患肢按需自适应调整训练任务轨迹与正常步态轨迹的偏离程度,阻抗控制可以提高训练中受损患肢的主动参与力,自适应滑膜控制可以消除机器人结构模型的参数不确定性和训练过程中因肌肉痉挛等造成的外力干扰,并且对系统的非线性有一定的鲁棒作用。实验结果表明,该方法能够有效地解决不同受损患肢步态康复训练的自适应任务规划和主动康复训练过程中的柔顺运动控制,任务轨迹跟踪精度较高。     

基于HTC VIVE的上肢康复虚拟训练系统研究

偏瘫病人参与康复训练的主动性不强、目的不明确,导致效率较低.本文提出基于可穿戴设备HTC VIVE的偏瘫上肢康复训练方案,设计并实现了一种以任务为导向的康复训练系统.基于人体上肢运动学理论,使用D-H参数方法建立人体上肢5自由度模型,仿真模拟了上肢手腕部的运动空间,以确保训练方案的安全性.在Unreal Engine 4中构建虚拟康复训练场景,患者通过操纵控制器触碰虚拟场景中的目标点完成相应训练任务.经上肢行为正常人士及偏瘫病人临床测试,训练任务有效促进了病人参与康复训练的主动性,运动轨迹记录可及时反馈患肢的运动情况,系统满足康复训练的需求.     

面向脊髓损伤早期康复的虚拟现实训练环境

针对脊髓损伤患者的早期康复训练急需有效康复训练手段,研究了虚拟现实和康复机器人相结合的脊髓损伤早期康复训练方法,制定了康复训练模式.在分析人体运动与肌肉训练对应关系的基础上,以六自由度并联平台为基本框架,设计了八自由度混联康复机器人.同时构建了虚拟现实康复训练场景,并建立了其与机器人的通信机制,使机器人动作与虚拟场景变化保持同步,实现了患者、机器人与虚拟场景之间的实时交互.最后对整个系统进行了运动测试,机器人系统与虚拟场景在各模式下能协调工作.     

4自由度上肢康复机器人结构设计与仿真分析

设计了一种4自由度外骨骼康复训练机器人,改善了当前康复机器人运动关节单一、康复训练空间有限的缺陷。参照人体上肢尺寸标准,应用SolidWorks绘制了机器人三维模型,根据DH法对机器人建立正向运动学模型,通过Matlab验证了模型的正确性。通过Adams对模型进行运动学仿真,验证了结构在不发生干涉的条件下能够实现多关节复合康复训练运动。同时对机器人工作空间进行仿真分析,验证了机器人工作空间与人体上肢的日常活动空间是相匹配的,能够满足患者上肢康复训练的要求,应用Matlab对抬臂屈肘康复运动进行轨迹规划,验证了整个康复运动平稳合理。     

5 DOF穿戴式上肢康复机器人控制方法研究

提出了一种面向偏瘫患者,可实现单关节和多关节运动的5自由度穿戴式上肢康复机器人的控制新方法.根据偏瘫患者上肢单侧受损的特点,该机器人利用偏瘫患者的健肢运动的表面肌电信号(sEMG)驱动康复机械臂辅助患者患肢实现康复训练.利用肌电绝对值积分(IAV)和自回归参数模型法(AR model)对选定的上肢四块肌肉运动产生的sEMG信号进行分析,所提取的特征分别作为基于Levenberg-Marquardt算法的反向传播神经网络的输入,6个上肢运动作为输出建立表面肌电信号与上肢康复动作之间的关系.试验结果表明该方法利用sEMG准确地完成了对上肢康复动作的识别.这一方法有利于提高患者运动积极性,保持正确运动的感觉,并为研究患者受损上肢表面肌电信号与肌肉运动的关系打下了基础.     

上肢康复外骨骼机器人控制方法进展研究

上肢康复外骨骼机器人主要用于为上肢运动功能障碍患者提供科学有效的康复训练,以实现患肢运动功能恢复及日常生活自理。该文从控制策略的角度综述了近年来上肢康复外骨骼机器人的研究进展。首先,从不同时期的康复治疗需求的角度出发,对已有的控制策略进行主动、被动控制分类,并对不同的控制方法进行概述,分析了各控制方法的当前研究现状。最后,对上肢康复外骨骼机器人发展中一些关键的挑战进行讨论并展望了未来的研究方向。     

绳索牵引康复机器人的动力学建模与控制

针对在康复训练过程中如何协调控制患者的骨盆运动轨迹问题,设计了由4根绳索牵引的三自由度绳索牵引并联康复机器人.基于力/位混合控制的思想,利用牛顿-欧拉法建立了绳索牵引康复机器人的动力学模型.以轨迹控制为目标,用计算力矩法设计了基于刚性模型的位置控制器,就绳索的刚度对机器人系统性能的影响进行了仿真分析;以刚度控制为目标,推导了机器人系统的刚度矩阵,并对康复机器人进行了仿真验证.理论分析和仿真结果表明,系统的刚度与绳索的张力有关,调整绳索的内张力可以改变系统刚度,实现对机器人系统的柔顺性控制.     

面向下肢损伤主动康复的虚拟训练环境设计与应用

针对传统下肢康复机器人的康复过程无趣性和自主性差的弊端,基于WebGL的第三方库Three.js,设计虚拟训练场景,患者借助机器人提供的辅助力让肢体做出下肢前移、后撤、抬腿等训练动作,这些动作分别控制虚拟场景中人物的前进、后退、爬楼梯、踢足球等行为,使患者在康复过程中具有场景代入感,并主动沉浸于康复训练中,提高康复效率。     

基于高斯过程的机器人模仿学习研究与实现

针对机器人模仿学习控制策略获取的问题,基于高斯过程的方法,建立示教机器人示教行为的样本数据的高斯过程回归模型并加以训练,以求解示教机器人的感知和行为之间的映射关系,并将此映射关系作为模仿机器人的控制策略来实现对示教行为的模仿.以Braitenberg车为仿真对象,研究趋光模仿学习行为.仿真实验表明:基于高斯过程的机器人模仿学习算法具有有效性,模仿机器人在不同任务环境下具有很好的适应性.     

辅助肩胛骨康复运动机构设计

为使康复机器人更好地满足人体的需求,本文基于人体上肢的生理结构,设计了对外骨骼上肢康复机器人的肩胛骨辅助康复运动机构。通过分析人体上肢肩关节与肩胛骨的运动关系,对上肢康复机器人的结构和工作原理进行深入研究,给出了辅助肩胛骨运动装置的组成结构,并对位置调整机构和助动康复机构的工作过程进行分析与研究。研究结果表明,该机构能满足康复治疗的需求,更好的辅助人体进行康复,实用性较强,具有广阔的发展前景。     

脑血栓康复训练器的机械结构设计

为提高我国脑血栓患者的康复效率,减轻护理强度,设计了一种针对脑血栓患者的康复训练机器人。该康复训练机器人可协助患者在站立姿态和坐姿之间切换,坐姿状态下,康复训练机器人可实现电动轮椅的功能,在站立姿态下可利用仿生外骨骼装置辅助患者进行行走训练。     

坐立康复机器人的双目标轨迹综合设计

针对坐立功能障碍患者的康复训练问题,本文基于人体运动曲线的轨迹综合,设计了一种符合人机耦合性的坐立康复训练机器人。通过光学动作捕捉实验,采集人体坐立运动轨迹,选择以大腿运动轨迹作为机器人的设计目标;在六杆机构模型的基础上,基于双目标轨迹发生综合法,以大腿上近髋点与近膝点的轨迹作为机构复现的双目标轨迹,进行机构数学模型的分析计算,得出该六杆机构可实现空间内多组位置的精确轨迹综合;建立机器人三维模型,对其关键部件进行静力学仿真分析以及虚拟样机的运动仿真,验证机器人设计的可行性;进行了机器人辅助坐立实验,采集膝、髋关节的运动曲线,膝、髋关节轨迹最大偏移误差分别为12%、5.8%,整体拟合程度较好,表明所设计的机器人具有较好的人机运动协同特征。     

下肢康复机器人机械结构设计及动力学仿真

为推动康复机器人发展,提高下肢康复训练水平,设计了一种新型下肢训练康复机器人的机械结构.设计采用新型全向移动平台机构,实现了平面内任意方向的运动,并且可以在移动过程中实现任意半径转弯.从运动学角度分析了轮速与机器人轨迹间的数学关系,并采用虚拟样机技术结合Pro/E与Adams联合建模仿真的方法,建立了精确可靠的虚拟样机模型.实验仿真结果表明,设计的虚拟样机模型与数学模型具有一致性,验证了该下肢康复机器人机械结构的实际可行性,为物理样机的建立提供了可靠依据.     

基于下肢动力学检测分析的站起康复训练机器人控制

提出了人体站起轨迹控制方法(TCM)和阻尼控制方法(ICM)。采用这两种控制方法可以实现对机器人系统的控制,使患者能安全、有效地进行下肢站起运动康复训练。在患者站起过程中,下肢各肢段旋转角、身体运动轨迹、地面反力(GRF)、压力中心(COP)和绳索张力等参数可由康复机器人系统中的相应传感器实时检测得出,并通过实时运算得出髋、膝、踝各关节力矩,用于反馈控制。试验结果表明,该方法可以保证患者实现安全、舒适、有效的站起训练,适用于站起康复训练机器人控制系统。     

手臂康复机器人阻抗控制实验研究

手臂康复机器人是一种用于因偏瘫、外伤等造成手臂运动障碍患者的辅助康复训练机器人,考虑到患者训练的安全性和舒适性,需要机器人有一定的柔顺性.对此,在控制模型中引入阻抗控制.建立并分析了手臂肌力训练模式目标阻抗控制模型,在此基础上进行了简化.建立了基于dSPACE实时仿真平台的半物理仿真实验系统,以回转关节为例,给出了不同控制参数下的力与关节角度曲线,分析了控制参数对控制效果的影响,结果表明控制模型的可行性和有效性.     

基于双机器人打磨平台控制系统设计

根据轮毂的结构特点,采用"分类分区"的策略对轮毂不同区域制订打磨方案.重点对打磨空间受限且打磨轨迹复杂的轮毂孔端面区域,提出一种基于双机器人协作打磨的方案,并对双机器人协作控制系统进行详细地设计与介绍.采用基于模型设计的方法完成双机器人控制系统的设计与开发,并进行机器人打磨轨迹跟踪和轮毂恒力打磨试验.试验结果表明:一台...