下肢康复机器人系统设计与协调控制算法

脑卒中、脊髓损伤、下肢退行性关节疾病等神经系统疾病会导致肢体功能障碍,需要进行有针对性和重复性的训练.本文设计了一款可以切换坐、立、躺三种模式的轮椅式下肢康复机器人,在机器人站立姿态的主动步行训练模式下,解算人体前进速度映射轮椅式底盘电机速度,实现了下肢功能障碍患者步态训练与机器人轮椅式车体的协调控制.实验结果表明,下肢外骨骼行走的速度曲线和轮椅式车体的速度曲线基本一致,实现人与机器人的协调控制.     

下肢康复机器人的运动控制设计

因下肢康复机器人结构设计的差异性,导致了其控制方法的多样化。针对本文的下肢康复机器人,提出了一种简单的控制方法使其沿规划轨迹进行运动。为进行控制器的设计,需要先求得机器人系统的固有传递函数。通过分析发现该系统为非线性系统,利用实验的方法近似求得其传递函数,从而转化为线性系统的控制问题。之后利用极点配置法将系统配置为一个临界阻尼二阶系统,逆推求得系统控制器的传递函数。通过对机器人的髋关节运动控制系统进行测试,测试结果表明:设计的控制器能够很好地满足实验要求。     

基于公共技术服务平台的远程监测系统设计

从远程通信的角度,文章提出一种远程监测系统模型,模型适用于多用户与多设备之间进行多点到多点的远程监测。该模型将现场监控系统与远程多点通信的服务器分开,在公共技术服务平台上构建多点远程通信的服务器,及设备的远程监测中心。给出了该模型的系统结构,并对其各部分的作用和技术实现做了简单分析。     

下肢康复机器人的研究进展与临床应用

社会老龄化进程中,由于疾病或事故导致下肢受损的患者越来越多,患者的运动能力康复变得尤为重要.相对于传统的物理康复治疗方法,利用下肢康复机器人进行运功功能康复训练可以准确评估、大幅改善康复效果,提高康复效率,节约医疗康复资源.作为一种涉及康复医学、机械学、控制学、机器人学、计算机学及人工智能等诸多学科的智能仿生机电设备,下肢康复机器人按照患者的康复作业姿态主要分为坐卧式下肢康复机器人和站立式下肢康复机器人.其中坐卧式下肢康复机器人可以分为脚踏板式和外骨骼式机器人,站立式下肢康复机器人分为悬挂减重式和独立可穿戴式机器人.本文调研了国际上应用较为广泛的几类下肢康复机器人的代表性产品,详细分析了下肢康复机器人的主被动自由度、驱动方式、传动关节、感知技术、运动控制策略和训练模式等关键技术,并对各类机器人典型临床测试案例进行了比较和探讨,对下肢康复机器人未来的技术发展做出展望.     

下肢康复机器人的自适应人机交互控制策略

针对康复机器人运动过程中的人机交互性问题,提出一种下肢康复机器人自适应人机交互控制策略.提取伸屈运动中下肢表面肌电信号（Surface electromyography,sEMG）和足底压力特征,分别用于表征下肢运动意图和人机交互力（Interaction force,IF）信息,建立基于sEMG-IF的人机交互信息融合模型,实现下肢康复机器人运动轨迹的在线规划;考虑主动康复运动过程中的人机交互作用,建立具有时变动态特性的人机系统动力学模型,设计间接模糊自适应控制器对期望轨迹进行跟踪控制,实现下肢康复机器人自适应人机交互控制.通过对5名被试者进行下肢康复机器人运动控制实验研究,验证所提方法的可行性和有效性.     

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人研究进展

对于脊髓损伤、脑损伤等因素导致下肢运动障碍的患者,利用下肢外骨骼康复机器人可在患者损伤早期进行精准康复,并在康复过程中优化康复策略。本文详细对比了下肢外骨骼康复机器人相比于传统康复方法的优势,并结合国内外研究现状阐述了不同外骨骼机器人的设备特点及应用场景,详细分析了机器人的驱动方式、控制系统以及训练模式等关键技术。最后,着重探讨了下肢外骨骼康复机器人未来发展所面对的挑战,并针对机械结构优化、驱动算法优化、康复流程智能化、基于虚拟现实技术的应用场景优化及康复效果评估等5方面提出了可行的探讨,对下肢外骨骼康复机器人未来的技术发展趋势作出可行分析。     

基于加速度传感器的下肢康复机器人示教训练

将康复治疗人员的临床治疗经验与康复机器人的训练结合,能够有效提高已有下肢康复机器人的训练性能,为此提出一种基于加速度传感器的示教训练方法及无线数据采集系统。通过已有的外骨骼式下肢康复机器人,分析并推导出关节角度与末端轨迹的关系及关节加速度与关节角度的关系。通过加速度信息分析出轨迹信息从而控制训练轨迹。研发的无线数据采集系统提取康复师训练时患者下肢加速度信息并转化成轨迹信息,进而被用于康复机器人示教训练控制。实验结果证明,该系统能够满足康复机器人的示教训练要求。     

下肢康复机器人及其交互控制方法

瘫痪病人的数量与日俱增,其康复训练通常是一个长期的过程.相对于传统的理疗,使用机器人辅助康复训练能够提高效率,降低成本,减少理疗师的人员和体力消耗,因此节省了康复医疗资源,并且可以完成更加多样的主被动训练策略,从而提高了康复效果.根据患者进行康复运动时的身体姿态,下肢康复机器人可分以下4类: 坐卧式机器人、直立式机器人、辅助起立式机器人和多体位式机器人,坐卧式又细分为末端式和外骨骼式,直立式进一步划分为悬吊减重(Suspending body weight support,sBWS) 式步态训练机器人和独立可穿戴式机器人.由于下肢康复机器人是与运动功能受损的患肢相互作用,为了给患者创造一个安全、舒适、自然的训练环境,机器人和患者之间的交互控制不可或缺.根据获取运动意图时所使用的传感器信号,交互控制可以基本分为两类: 1)基于力信号的交互控制; 2)基于生物医学信号的交互控制.在基于力信号的交互控制中,力位混合控制和阻抗控制是最为常用的两种方法; 而在基于生物医学信号的交互控制中,表面肌电 (Surface electromyogram,sEMG) 和脑电(Electroencephalogram,EEG) 最常被用于运动意图的推断.     

下肢康复机器人的主动柔顺自适应交互控制

为了更好地给患者提供稳定、舒适且具备主动柔顺性的康复训练环境,提出一种基于阻抗参数自适应调节的下肢康复机器人主动柔顺交互控制方案,该方案由外环的阻抗参数调节和内环的轨迹跟踪两部分构成.首先,针对康复训练过程中人体阻抗参数动态变化的问题,提出了模糊自适应阻抗参数调节器,将人机交互作用力、位置误差与速度误差作为输入,并采用模糊推理实时调整阻尼系数与刚度系数,实现对人体阻抗的自适应.其次,设计了间接自适应模糊控制器,合理构造模糊系统逼近未知非线性系统,对反映患者运动意图的设定轨迹进行稳定跟踪,利用李亚普诺夫分析方法证明了系统的稳定性.最后,通过仿真实验将本文方法与一般的固定期望阻抗参数方法对比,结果表明本文方法下的髋、膝关节轨迹的最大偏差分别降低53.43％和66.87％,验证了所提方法的可行性与有效性.     

下肢外骨骼康复机器人人因工程研究进展

下肢外骨骼康复机器人是专门针对下肢运动障碍及行动不便者,提供康复锻炼的智能化装备, 其发展对于中国康复事业具有重大的理论意义与实际应用价值。人因工程研究可有效提高下肢康复机器人 HRI 人机交互安全性与交互效率。因此,深入探讨国内外下肢外骨骼康复机器人人因工程研究进展,对其研究现状、 发展趋势进行总结归纳。通过文献检索方法对相关文献进行分析,发现人机交互、步态行为、结构设计、安全 问题等是下肢外骨骼康复机器人人因工程领域的研究热点,并从人因出发,系统梳理国内外下肢外骨骼康复机 器人人因工程研究进展和发展动态,提出我国在下肢外骨骼康复机器人人因工程领域所面临的挑战,研究重点 和未来发展趋势。     

基于阻抗模型的下肢康复机器人交互控制系统设计

为帮助下肢功能障碍患者进行康复训练,设计了下肢康复机器人。对于该机器人的控制,采用传统系统无法柔顺控制,导致机器人运动轨迹偏离预设轨迹。针对该现象,提出了基于阻抗模型的下肢康复机器人交互控制系统设计。通过分析总体控制方案,设计系统硬件结构框图。采用L型二维力传感器,确定两个方向的人机交互力。使用绝对值编码器安装在各个关节处,其输出值作为髋关节、膝关节、踝关节电机的转动位置,增量编码器安装在电机轴上,测量值用来作为后期控制方法的输入参数。构建阻抗控制模型,能够调节机器人位置和速度,具有消除力误差功能。依据此力矩对参考运动轨迹进行设计,实时获取患者康复训练的跟踪、主动柔顺和接近状态信息。在柔顺训练实验测出人机交互力,通过实验结果知,在检测到人体主动力矩异常时,系统能够重新优化轨迹,具有良好柔顺控制效果。     

基于C/S架构的儿童早教机器人自动控制系统设计

由于现有儿童早教机器人自动控制系统的控制效果不佳,研究基于C/S架构的儿童早教机器人自动控制系统,提升儿童早教机器人的任务执行质量。在C/S架构下从硬件和软件两个方面,优化设计儿童早教机器人自动控制系统。改装控制器、机器人电机驱动器、传感器、信号处理器等设备,根据C/S架构调整通信网络结构,通过系统电路的调整与连接,完成硬件系统的优化。C/S架构下接收儿童早教机器人控制指令,识别控制指令内容,从机器人移动、远程看护以及早教资源检索播放三个方面,实现系统自动控制功能。通过系统测试实验得出结论：设计的机器人控制系统的移动控制误差低于0.5 m、早教任务控制成功率高于99%,由此证明设计系统具有良好的控制效果。     

无人值守变电站远程视频监控系统的研究与应用

该远程视频监控系统采用C/S工作模式,客户端与服务器端使用的网络通信协议是针对系统结构、模块功能分工而设计的,在此基础上详细描述了系统各部分的功能和通信协议的具体实现.最后根据系统设计中遇到的一些现实问题,给出了具体问题解决方案.     

单自由度远程康复训练机器人系统设计

构建了一套单自由度主从式远程控制康复训练机器人系统,治疗师通过网络远程监视患者的训练过程,借助主手带动远端患肢进行康复训练;患者在本地接收治疗师指令,在从手牵引下进行康复训练;通过Socket网络编程技术实现主从端通信;采用变系数控制实现治疗师对患者的运动控制.实验表明,治疗师可以通过主手驱动从手运动,从而带动患肢进行康复训练;相关实验数据得到记录以便后期分析;分析表明远程康复训练机器人系统具有可行性,为临床应用奠定了基础.     

一种下肢康复机器人步态的生成与调节方法

针对下肢康复外骨骼机器人康复训练参考步态的标准化设计,对平地行走、上楼梯和下楼梯等不同情境下的步态轨迹的设计问题进行研究,提出了由无线惯性传感器采集人体步态,利用基于关键点的步态生成与调节方法,得到了融合过渡过程的参考步态曲线.利用得到的参考步态曲线指导下肢康复外骨骼式机器人辅助人体在平地行走、上楼梯和下楼梯等情景下进...     

脑瘫步态康复机器人研究进展

脑瘫步态康复机器人可以克服传统步态康复手段治疗师人数、精力、经验不足等缺点,提供持续、高特异性和高强度的康复辅助治疗。本文总结了初步临床的脑瘫步态康复机器人的研究现状,并探讨了相关技术的不足与发展方向。首先,对脑瘫病理特点、运动症状和传统康复手段的不足进行了介绍。然后,对14款典型脑瘫步态康复机器人从机械结构、病例特性及临床实验设计等3个方面进行综述。进而,从脑瘫步态康复机器人的设计思路、整体结构、辅助形式和辅助关节以及临床试验的受试者、辅助策略、实验设计和临床评估等方面讨论分析了现有研究的局限性,并对相关技术的发展趋势进行展望。     

基于极点配置算法的下肢康复机器人控制系统设计

针对目前下肢康复机器人控制系统设计时,存在的参数配置复杂、忽略踝关节的康复训练等问题,提出了一种基于极点配置算法的下肢康复机器人控制系统。根据下肢关节机械结构非线性运动,采用极点配置算法设计控制器,通过z变换对设计的控制器进行离散化处理,在以ARM—M3为内核的STM32微控制器中实现位置闭环控制。STM32微控制器通过串口协议与上位机通信,实现触摸屏控制微处理器,从而控制下肢康复机器人的运动模式。并实时地把各关节的角度信号和作用力信号传输到上位机进行曲线显示。实验对8名被测者在不同减重比下的被动行走训练进行测试,通过分析关节角度曲线和关节驱动力曲线,该控制系统能够实现下肢康复机器人在不同康复训练模式下协调平稳的控制。并能满足一定康复训练要求。     

下肢康复外骨骼机器人模糊PID控制研究与仿真

下肢康复外骨骼机器人具有多输入多输出的结构,且不确定性与非线性都很高,经典PID控制已经不能很好地进行精确控制。结合经典PID控制与模糊控制,并加入了开关结构,最终采用开关式模糊PID控制来对机器人进行控制研究。使用ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）建立机器人模型,在Matlab/Simulink中建立控制图。驱动输入采用正常人体步态行走时的力矩信息,通过两个软件的联合仿真,得到跟随曲线与目标曲线的对比图及误差图。结果表明,开关式模糊PID控制具有良好的精度且响应速度较快。