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。     

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.     

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。     

康复机器人的同步主动交互控制与实现

提出了一种适用于康复机器人的人机交互控制方法. 结合一款具有平面并联结构的上肢康复机器人, 实现了与用户(患者)运动意图同步的、柔顺的主动康复训练. 在训练中, 利用自适应频率振荡器, 从表面肌电信号(Surface electromyography, sEMG)中获取运动模式信息, 然后结合运动模式和期望的正常运动轨迹, 生成与主动运动意图同步的参考训练轨迹. 本文通过仿真和实际实验对所提出的方法进行了验证, 振荡器可以在2~5s内快速实现与用户主动运动意图的同步, 然后利用阻抗控制器给予柔顺的辅助. 通过调节阻抗参数, 可以为患者的运动训练提供不同程度的辅助.     

基于模糊补偿的主从式上肢外骨骼康复机器人训练控制方法

针对主从式上肢外骨骼康复机器人主臂信息获取、从臂快速响应等问题,提出了基于关节位姿、速度和力/力矩等信息的运动意图建模方法及基于模糊补偿的康复训练控制策略.根据人体工程学原理,提出了一种同构同型的主从式双臂康复机器人新型结构;利用D-H算法给出了笛卡儿空间的主从臂运动学模型,建立了患者健肢运动意图信息和从臂各关节动作的人机协作映射关系;以患者运动意图力矩作为输入,基于模糊补偿算法提出了患者-主臂-从臂协作控制策略,并利用李亚普诺夫定理证明了该控制系统的稳定性.仿真结果表明,康复机器人从臂可以根据患者运动意图跟随主臂运动,能有效地防止抖动误动,可避免对患肢的二次伤害.实验结果表明从臂运动轨迹平滑,无剧烈波动,控制轨迹跟踪主臂效果好.     

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.     

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.     

基于模糊逻辑的上肢康复机器人阻抗控制实验研究

针对机器人辅助患肢主动康复训练过程中辅助力／阻力不能随患肢病情实时调整的问题,提出了一种新的模糊自适应阻抗力控制方法．该方法实时检测患肢与机器人之间的相互作用力,并进一步运用辨识算法实时估计出患肢的病情状态;然后运用模糊阻抗控制器对两者之间的相互作用力进行实时调整,使得在患肢主动能力不足时提供一定的辅助,而在其有能力完成动作时,实时调整阻力实现肌力训练．实验结果表明了该控制方法的有效性．     

基于外骨骼的可穿戴式上肢康复机器人设计与研究

为辅助对患肢进行高强度标准化康复训练工作,研制了一种基于外骨骼原理的可穿戴式4自由度上肢康复机器人.该康复机器人可实现肩关节水平方向外展/内收、竖直方向上摆/下摆和旋转运动以及肘关节的屈/伸运动.首先根据康复医学原理确定出人手臂各关节的运动角度范围,并在确保驱动力矩最小的原则下进行结构设计.然后,对各结构进行了运动学与动力学仿真分析,并据此对结构进行优化.最后,设计了康复机器人在连续被动康复运动(CPM)模式下的控制系统.实验结果表明,此结构方便穿戴于人体,机器人的运动自由度与人体运动自由度同轴,能有效地对患肢前、后臂各部位进行支撑和牵引,精确地施加牵引力于上肢的各关节.     

下肢软质康复外骨骼机器人的模糊神经网络阻抗控制

针对脑卒中或交通意外等因素导致的运动功能障碍问题,设计了一种可用于康复训练的可穿戴式的软质膝关节外骨骼机器人．在重点介绍基于Hill肌肉模型的套索人工肌肉驱动系统设计和实时控制平台的基础上,分析了模糊神经网络阻抗控制算法的推导过程．最后,分别在定阻抗与变阻抗参数控制策略条件下,进行人机协同训练模式下的康复训练实验,并对比分析了康复外骨骼系统对受试者肌肉活性的影响．实验结果表明,定频率定幅值训练时的屈/伸扭矩分别增加了9.70%和9.06%,而变频率变幅值训练时的屈/伸扭矩提升了88.34%和57.68%．由此可知,选择符合人体生理肌肉刚度特性的阻抗模型可以改善下肢康复机器人系统的稳定性和安全性,提高人机交互的柔顺性和协调性．     

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.     

上肢康复外骨骼机器人的模糊滑模导纳控制

为了辅助上肢运动功能障碍患者进行不同模式的康复训练,基于上肢康复外骨骼机器人系统,提出了一种模糊滑模导纳控制策略,实现训练过程的人机协调控制.首先,介绍了康复外骨骼的整体结构和实时控制平台.然后,分析了模糊滑模导纳控制算法的推导过程,并根据李亚普诺夫稳定性判据证明系统的稳定性.最后,在不同系统导纳参数条件下,分别进行被动训练模式和主动训练模式实验,并对比分析了实验过程中运动偏差、人机交互力以及肱二头肌表面肌电信号的变化特点.实验结果表明,选择合适的目标导纳模型可以优化康复训练强度与难度,提高人机交互柔顺性与患者参与度,满足不同瘫痪程度和康复进度患者的训练需求.     

上肢外骨骼机器人控制系统建模与设计

外骨骼机器人与军事和人们的日常生活联系日益紧密.首先在简要介绍外骨骼机器人的基础上,讨论了上肢外骨骼机器人控制系统的结构设计,以及基于力与位置的双闭环控制原理;进而,详细讨论了控制系统各环节的选型设计,给出了系统的各组成部分的工作原理.最后,讨论了外骨骼机器人控制系统数学模型的建立,并运用Matlab软件中的Simulink对上肢外骨骼机器人控制系统的数学模型进行仿真,分析了无刷直流电机的响应特性.研究结果表明,采用的力与位置控制能使系统快速、稳定地产生响应信号.     

基于人体动作反馈的上肢康复机器人主动感知系统

提出了基于人体动作命令反馈的主动康复训练方法．首先,对采集到的4通道上肢肌电信号进行小波包分解,提取小波系数的log特征,输入到神经网络辨识,对上肢的8种常用动作取得了92.86%的辨识成功率．随后,将辨识结果动作以虚拟动画的形式展示给患者,患者针对辨识动作进行点头确认或者摇头拒绝．采用Kinect获取患者的动作视频,经过人脸辨识缩小检测范围,利用光流特征与先验经验结合,对比分析了投票法、Sigmoid法与tanh法的动作辨识结果,在人为干扰的条件下,Sigmoid法仍然表现优良．设计了Sigmoid法的参数修正方法,最终准确度达87.25%,无危险性误判率为12.75%．经过主动康复实验,本文提出的基于人体动作命令反馈的主动康复训练意图感知方法具有良好效果,适用于主动康复训练场合．     

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。     

上肢康复外骨骼智能控制综述

外骨骼的应用有望缓解我国康复医疗资源面临着的巨大压力。康复外骨骼应用的关键在于保证康复体验的安全、有效和舒适,而智能控制技术是回应这些需求的有效手段。本文基于智能控制系统的分层递阶结构,总结了近年来上肢康复外骨骼智能控制系统中各层级控制器的研究现状。主要包括上层控制器中的运动意图识别、中层控制器中的运动轨迹规划以及底层...     

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.     

上肢康复机器人等速运动控制算法的研究

等速运动康复的目标是保证人的手臂在用不断增加的力矩驱动机械臂转动时,机械臂转速始终被控制在预设值不变,且人机的肩关节轴要动态对齐。针对上述要求,通过采集机器人关节伺服电机电枢绕组中的电流值和转子的转速,确定外力矩、电机力矩和转速之间的关系,据此建立等速运动控制算法,并以人手臂肩关节的屈展角度为变量,找出机器臂肩关节轴在高度方向对齐人肩关节轴的函数关系,进而建立了考虑速度和位置双重因素下的人机肩关节轴动态对齐控制算法。通过将上述控制算法用于实物样机的控制,证明了控制算法的正确性。该研究为控制上肢等速运动康复提供了参考。     

虚拟现实技术在柔性上肢康复机器人中的应用

根据末端牵引式和外骨骼式上肢康复机器人的特性,研制了一种新型的柔性上肢康复机器人。机器人的康复训练系统结合了主动和被动模式的要素,将虚拟现实（VR）技术引入上肢康复机器人,通过现实环境中的光学3D位置捕获以及VR环境中的3D位置感知,设计了虚拟动态模型交互性节点和碰撞检测实验,实现虚拟现实交互,提高虚拟模型运动实时效果和上肢康复训练精度。VR和新颖的康复机器人的集成为具有特定任务的患者提供了有效的训练。