【摘 要】
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随着我国进入老龄化社会,人口老龄化问题日益严重,在2017年60岁以上老年人人口已占总人口数的17.3%,预计2050年这个比例将会达到34.9%,且老年人护理工作需要占用很大一部分医疗护理资源,所以针对老年人步行和生活起居问题的助行机器人研究得到广泛关注。此外,脑卒中等脑血管疾病的致残率较高,人口老龄化使得因脑血管疾病而残疾的人数逐年增加,且传统治疗方式存在康复效率低、理疗师费用高、训练强度大和
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“基于错误增强康复策略康复助行机器人关键技术研究”,项目编号:61573234；
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随着我国进入老龄化社会,人口老龄化问题日益严重,在2017年60岁以上老年人人口已占总人口数的17.3%,预计2050年这个比例将会达到34.9%,且老年人护理工作需要占用很大一部分医疗护理资源,所以针对老年人步行和生活起居问题的助行机器人研究得到广泛关注。此外,脑卒中等脑血管疾病的致残率较高,人口老龄化使得因脑血管疾病而残疾的人数逐年增加,且传统治疗方式存在康复效率低、理疗师费用高、训练强度大和训练效果不一致等问题。结合以上两大需求,能够替代理疗师为患者提供扶持力和助力,在日常生活中帮助老年人和脑卒中患者进行步行辅助及康复训练的康复助行机器人,是目前下肢康复机器人研究的热点。然而,目前国内外研发的相关机器人并不能很好地结合助行辅助力和康复训练,且对骨盆运动轨迹和骨盆平衡控制训练的关注较少,缺乏对交互力辅助技术的理论分析。所以,研发辅助老年人及脑卒中患者进行康复训练和日常生活的康复助行机器人,研究人机交互力的控制算法,对改善患者生活质量和促进我国康复医学的发展具有重要意义。为优化交互力控制,本论文首先对患者双足行走进行建模分析,通过正常人与脑卒中患者的运动对比分析步态异常,总结脑卒中患者步态异常的根本原因和康复训练的基本需求,对康复助行机器人的设计和交互力控制提出了具体目标。然后根据需求分析设计研发了康复助行机器人,并通过机器人运动学建模对机器人的运动性能进行了分析,通过建模分析得出了人机耦合动力学模型,基于该动力学模型提出了前馈+反馈PD控制算法,为助行机器人交互力控制、康复机器人的临床应用和相关康复工程领域的关键问题研究提供参考。论文研究工作如下:1)基于人体生理机构特点和步态分析,建立了患者双足行走17连杆的运动学及动力学模型,进行了相应的骨盆运动分析和异常步态分析,得到了基于关节位姿、速度旋量和加速度旋量输入的人体骨盆运动参数和16关节力旋量,并使用Simulink软件验证了模型的正确性,提出了脑卒中患者步态训练和平衡训练的基本需求,为助行机器人交互力控制和力场规划提供了有效的参考依据。2)针对患者康复训练的实际要求,提出了一种康复助行机器人结构方案来实现自然的骨盆运动,阐述机构的特点及其工作原理。建立了机器人的运动学模型,并对机器人的工作空间及能力地图等运动性能进行了分析,为后续的静力学和动力学建模提供基础。3)为研究交互力控制技术,建立了助行机器人的牛顿-欧拉递推方程,并给出动力学正逆解的解算流程。基于对机器人的关节形变建模分析,建立了机器人与受试者骨盆之间的交互力旋量模型,分析了人机交互过程中的机器稳定性。结合刚体动力学、关节柔性模型和综合摩擦模型,提出了移动平台前馈控制算法、减重支撑机构控制算法和基于引导力场的训练轨迹规划算法,为助行机器人柔顺交互力控制策略和辅助训练规划探究提供理论依据。4)基于研发的康复助行机器人进行了正常受试者实验和算法对比试验。正常受试者实验通过可操作性实验、减重支撑力控制实验和助推力控制对比实验,分析验证了机器人的可操作性、意图识别有效性、助推力控制和减重支撑力控制有效性和稳定性。此外,通过在健康受试者腿部安装下肢夹板来模拟患者,进行了模拟病人实验,实验结果验证了所建模型的正确性和所提出控制算法的有效性,表明助行机器人能够介入患者的康复训练。本文对双足行走和助行机器人的耦合动力学及人机交互过程中的交互力控制技术展开了深入研究,通过动力学仿真及机器人实验验证了本文所提出方法的正确性及有效性。研究成果可用于柔性助力机器人的人机共融控制及交互力优化,有助于推进康复训练中的引导力场辅助技术研究。
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