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.     

空调管道清扫机器人控制系统的研究

目前,中央空调管道清扫已经越来越引起人们的重视,对空调管道进行定期清扫,可有效改善室内空气质量,并能够实现节能的目的;首先介绍了空调通风管道清扫机器人总体系统设计,然后对机械车体和监控系统进行设计,提出了多组态控制工作模式;机器人车体控制系统以单片机C8051F020控制核心,对管道清扫机器人行走和转弯策略进行了设计与测试,采用模糊PID控制调节电机转速,结合感知传感器信息对电机协调控制,有效地实现了机器人直线行走和稳定转向。     

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。     

模糊控制在机器人超声避障系统的应用

本文介绍模糊控制技术与智能轮椅机器人超声波避障技术相结合的应用.本系统使用超声波的探测距离作为输入信号,经模糊控制技术处理后,输出机器人左右轮的转动速度来实现超声波避障.在MATLAB环境下开发模糊控制器并仿真出模糊控制策略.在智能轮椅机器人超声避障系统中得到成功应用.     

一种基于非线性振荡器的步态轨迹自适应算法

步态训练轨迹是影响康复训练效果的一项重要因素,而自适应性对于下肢康复机器人的临床应用具有重要的意义.振荡器可通过在线调节参数而输出不同波形的周期信号,常用于康复机器人步态轨迹的生成.本文在高斯核函数非线性振荡器的基础上提出了一种下肢康复机器人步态轨迹自适应算法.该算法通过轨迹偏差实现对参考轨迹波形的调节,并且用相位偏差曲线面积实现参考轨迹周期的自适应.本文首先介绍了用于生成步态参考轨迹的非线性振荡器的数学模型;其次,详细描述了基于该模型的参考轨迹波形和周期自适应算法;最后,以悬挂减重式下肢康复机器人为研究对象,建立机器人与人体下肢仿真模型,对所提出的步态参考轨迹自适应算法进行仿真实验,并验证了该算法的可行性.     

一种新的康复与代步外骨骼机器人研究

针对老年人及下肢障碍者康复训练与代步问题,本文提出一种新的康复与代步外骨骼机器人.本文首先详细介绍了机器人各部分组成及机构设计方案,通过下肢外骨骼与轮椅的有机结合,有效保持或恢复老年人、脑卒中患者下肢运动能力的同时,为患者提供一种方便的代步工具;运用脚蹬车运动制订康复训练策略,可保持下肢康复训练轨迹固定,保证患者安全;提出主从式操作方法及多模态康复训练控制流程提高使用者参与感.最后通过仿真与实验验证了所提康复系统的可行性与设计的正确性.     

下肢康复机器人离散自适应控制的研究

康复训练是脑卒中、脊髓损伤患者主要的治疗手段.机器人辅助步行训练是近年来广泛应用的下肢康复训练方式.针对具有步态自适应功能的下肢康复机器人,提出了一种柔顺协调控制方法.基于非线性逆系统解耦理论,系统分解为几个独立的二阶积分系统.在解耦子系统中,采用阻抗和自适应控制来进行步态轨迹的规划和跟踪.最后,在Matlab-Adams联合仿真系统中对设计的控制器进行仿真并验证算法的正确性.     

多机器人主—从行星式编队控制

研究了二阶积分器描述的多机器人主—从行星式编队控制问题,提出了将多机器人编队分解为每个机器人对各自具有时变速度的虚拟机器人的跟踪控制,使得每个机器人相对于虚拟机器人的位置与速度跟踪误差收敛为零且彼此不相碰撞,此时编队系统收敛到理想队形.在统一的算法框架下,分别实现了跟随者以领航者为中心的公转运动编队(revolution formation,RF)模式和跟随者与领航者保持期望距离、期望速度的编队(desiredformation,DF)模式.公转运动编队(RF)模式适用于异构多机器人系统的环境探索任务;保持期望距离、期望速度的编队(DF)模式适用于自主水下机器人(AUV)、无人机(UAV)等合作与协调任务.应用李亚普诺夫稳定性理论对控制算法的稳定性进行了分析,并通过计算机仿真验证了该方法的有效性.     

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.     

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...     

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。     

一种外骨骼辅助康复机器人设计与实现

随着我国社会老龄化程度加深及各种意外伤害事故频发,下肢运动障碍患者持续增加,各种辅助康复机器人技术迅速发展;为帮助患者改善下肢运动功能,设计了一种基于TI高性能处理器的四自由度下肢外骨骼康复机器人,采用分布式控制系统结构,以组态屏为上位机,各关节驱动采用驱控一体化模块,使用C++语言编写机器人控制程序。通过实物样机实验,康复机器人可辅助患者完成正常步态行走、起立、坐下等基本功能,具有操作简便、结构轻巧、控制精度良好、成本较低等优点。     

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。     

基于图像处理的人体步态信息采集与处理

为了获取健康人体的正常步态信息, 提出了一种快捷有效的获取方法. 通过在下肢关节点处粘贴标记点, 利用摄像机获取正常人行走的图像, 对图像进行二值化处理, 提取出标记点坐标. 经过最小二乘拟合分析可得到人体脚心在一个步态周期内的运动轨迹及运动速度. 最后对下肢康复机器人进行步态规划, 得到下肢康复机器人的步态轨迹及其速度,并对不同年龄人群的步态速度曲线进行了分析. 实验结果表明, 该系统可行性好, 工作稳定, 为下肢康复机器人的运动学分析与控制提供有力的理论依据和验证方法.     

基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统设计

传统上肢康复机器人交互控制系统受到奇异位形影响,导致系统控制精准度较低,为此提出基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统;设计上肢康复机器人交互控制系统结构,选取双串口12CSA60S2系列单片机作为下位机控制核心模块,利用椎齿轮改变驱动力方向,设计机械臂肘部结构,通过同步带传动,将器件隐藏于空手柄中;设计机械臂腕部结构,满足临床康复时上肢患者站姿与坐姿训练需求;选择箔式应变片BF350力传感器,设计电阻应变片桥接电路,处理传输信号;构建机器人目标阻抗模型,设计基于力阻抗控制策略,调节位置、速度和关节;为改善奇异位形情况,在奇异位形附近关节角速度指令直接由各个关节力矩阻尼控制得到,实现角速度精准输出,完成系统控制;由实验结果可知,该系统直线运动位置、旋转关节位置和伸缩关节位置跟踪结果与标准值基本一致,满足系统设计需求。     

Structure design and analysis of aid walking mechanism for a lower limb rehabilitation robot

In order to improve the rehabilitative effect of users' recovery training and reduce the production cost of rehabilitation institution, this paper designs an aid walking mechanism for a lower limb rehabilitation robot which achieves the movement of transmission by use of the interrelationship between hip and knee. Using single chip micyoco(SCM) control technology to achieve the coordinated operation of the entire mechanical institution, this aid walking mechanism simulates the walking gait. Besides, this paper also verifies that materials' strength meet the design requirements by Solidworks simulation stress-strain analysis module.     

髋关节康复机器人的运动学分析与仿真

康复机器人能够按照指定轨迹稳定运行是康复过程安全性和有效性的重要保证,因此机器人末端位姿与人体患肢位姿应保持高度重合,同时康复机器人应具备适应不同人体患肢长度的能力。为此提出了机器人与人体患肢运动学模型关联的计算方法。对所设计的平卧式五自由度髋关节康复串联机器人建立了运动学数学模型。将人体下肢简化为四自由度两关节连杆,建立人体的运动学模型,根据人体下肢参数计算患肢末端位姿,并将其作为输入条件代入机器人运动学模型求解,得到机器人的关节变量对关节转动进行控制。以屈髋和内旋动作为例,应用SimMechanics进行仿真,得到的各关节角度与目标设定值一致,且机器人关节角度范围满足人体髋关节活动度的康复要求。分析了下肢长度测量误差对髋关节康复角度及位置的影响。结果表明当大腿长度占比测量偏差为0.5%,位置偏差小于6 mm时,关节角度偏差小于1°。