基于速度场控制的上肢康复机器人主动康复训练系统设计

摘要

上肢康复机器人技术是近几年来迅速发展的一门新兴技术，是机器人技术与康复医学相结合的产物。中枢神经系统具有较高的可塑性是中枢神经功能恢复的重要理论依据，同时也是机器人辅助康复技术的重要医学依据。利用康复机器人对运动功能障碍的患者进行康复训练可减轻治疗医师的负担及提高康复的效率。 上肢康复训练通常为被动康复训练和主动康复训练。被动康复训练用于康复训练的前期。该阶段患者的主动运动能力较差，需要上肢康复机器人带动患者进行被动式的康复训练。主动康复训练用于康复训练的后期，该阶段患者具有了一定的主动运动能，可以在上肢康复机器人的协助下完成主动式的康复训练。研究表明中风后患肢的主动运动比被动运动更有利于改善脑血流状况，可加快中枢神经损伤后上肢运动功能的恢复。患者的主动参与和主动运动意愿的激发，对中风患者运动功能的康复起着强化和促进作用。因此，当患者具有一定主动运动能力时应尽量采用主动康复训练。本文所采用的控制策略正是针对主动康复训练阶段。 本文分别利用D-H参数法和拉格朗日方程法建立机器人的运动学和动力学模型，并利用Matlab/SimMechanics工具箱搭建机器人仿真模型对运动学与动力学模型进行正确性验证。 针对上肢康复机器人在临床使用中的安全性和平稳性及主动康复阶段患者主动参与康复训练的要求。本文采用了双闭环结构，外环的轮廓控制器用于约束机器人在期望的轨迹上运动。内环的速度控制器用于将患者作用力引入控制系统，使机器人在不偏离期望轨迹的情况下，根据患者所施加的作用力对机器人的运动速度进行调整，实现患者主动参与康复训练。同时，为了为患者提供运动状态的视觉反馈、指导患者完成康复训练和增强患者参与康复训练的积极性，本文利用开源图形API OpenSenceGraph搭建虚拟训练环境。 仿真结果表明速度场控制策略保证了机器人运动的平滑和稳定，并能够根据患者的作用力对机器人在轨迹上的运动速度进行调整。同时，系统故障下轮廓跟踪与轨迹跟踪的对比仿真实验表明了轮廓跟踪策略具有更高的安全性，证明了轮廓跟踪策略在康复训练方面的优越性。最后在设备上的实验结果也证明了轮廓控制的有效性和可行性。

目录

声明

摘要

1．1课题背景

1．2课题研究的目的和意义

1．3国内外研究现状

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4康复训练及相应控制策略概述

1．5速度场控制概述

1．5．1速度场控制与轮廓跟踪

1．5．2速度场控制与虚拟现实技术的结合

1．6本文主要内容

第2章上肢康复机器人建模

2．1上肢康复机器人系统简介

2．2上肢康复机器人运动学建模

2．2．1正运动学建模

2．2．2逆运动学建模

2．3上肢康复机器人动力学建模

2．4雅克比矩阵

2．5运动学与动力学仿真验证

2．5．1基于MATLAB／SimMechanics工具箱康复机器人模型的搭建

2．5．2正运动学仿真验证

2．5．3逆运动学仿真验证

2．5．4动力学仿真验证

2．6本章小结

第3章主动康复训练控制系统的设计

3．1主动康复训练控制系统的设计方案

3．2轮廓控制器设计

3．2．1速度场设计的原则

3．2．2速度场的设计

3．2．3轮廓控制器的算法实现

3．3速度控制器设计

3．4本章小结

第4章主动康复虚拟环境的构建

4．1虚拟现实技术简介

4．2虚拟现实技术在上肢康复领域的应用

4．3虚拟环境构建

4．3．1虚拟场景的建模

4．3．2虚拟场景建立

4．4本章小结

第5章仿真验证与分析

5．1患者作用力对系统动能的影响仿真

5．2系统故障下轮廓跟踪与轨迹跟踪的对比仿真

5．3轮廓控制实验验证

5．4本章小结

6．1总结

6．2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文