气动肌肉腕关节和下肢康复机器人及其控制技术研究

气动肌肉腕关节和下肢康复机器人及其控制技术研究康复训练以神经可塑性为理论依据 , 能让肢体运动功能障碍患者重新获得日常行为能力。 康复机器人能够带动患者进行可重复、 高精度的康复运动 , 减少了医生的工作强度 , 增加了患者的训练时间和训练强度 , 提高了康复效果。我国在康复机器人领域还处于起步阶段。因此 , 研制出具有自主知识产权的康复机器人具有深远的意义。本文以安全可靠及成本低廉为目标 , 采用气动肌肉作为关节驱动器研制了2 款分别用于腕关节康复和下肢步态矫正的康复机器人。再从安全控制的角度出发 , 引入了一种新型的代理滑模控制方法对所研制的康复机器人样机进行位置控制。 并针对该方法在气动肌肉驱动的康复机器人关节控制中缺乏鲁棒性的问题 , 分别采用神经元和神经网络对代理滑模控制中的局部参数进行在线自调节的方法 , 对代理滑模控制进行了改进。在不改变其特有的安全特性的前提下 , 增强了其鲁棒性。首先, 为了了解气动肌肉的输出特性 , 为康复机器人设计提供依据 , 本文对现有的气动肌肉模型进行了改进。 针对气动肌肉橡胶筒壁厚及弹性模量随气动肌肉伸展 / 收缩而发生变化的实际情况 , 对气动肌肉静态力学模型中的弹性恢复力项进行了修正 , 通过实验确定了弹性恢复力修正系数的数学表达式 , 提高了气动肌肉模型的精度。 其次 , 针对已有的腕关节康复机器人很少考虑上肢康复机器人与手功能外骨骼的相容性 , 只适用于还具有抓握能力患者的问题 , 本文研制出一款气动肌肉驱动的便携式 2 自由度腕关节康复机器人样机 , 适用于无力抓握的患者。它具有减轻病人承重负担 , 避免与手指运动发生干涉 , 运动过程更加自然 , 穿戴方便舒适等优点。 再次 , 针对现有下肢外骨骼康复机器人质量大 , 成本高 , 柔顺性差的问题 , 本文研制了一款气动肌肉驱动的应用于步态矫正的下肢外骨骼康复机器人。它能够带动人体髋膝关节的屈伸运动 , 实现步态康复训练 , 具有重量小 , 成本低 , 安全性好的优点。然后 , 针对现有康复机器人底层位置控制大多以提高控制精度为目标 , 而忽视了位置控制的安全性问题, 本文采用基于代理的滑模(Proxy-based sliding mode control,PSMC)控制器和独立的关节柔顺性控制器相结合的方法, 提高了康复机器人关节控制的安全性。PSMC控制器在保证控制精度的同时, 对不可预测的大位置误差具有慢速过阻尼调节作用 , 避免了传统控制方法调节过程中过高的关节角速度可能对患者造成的二次伤害, 具有很强的安全性能。独立的关节柔顺性控制器利用气动肌肉关节内力大小对安全性能的影响以及气动肌肉关节内力 / 柔顺性与初始张紧气压之间的关系, 在不影响位置控制的同时 , 减小了关节内力 , 进一步提升了气动肌肉关节的安全性能。最后 , 针对实际样机实验中PSMC对不同负载情况下的气动肌肉关节位置控制缺乏鲁棒性的问题, 本文对 PSMC控制器提出了 2 种改进方法 : 采用神经元 PID 控制器代替 PSMC中的 PID 控制器和引入 BP神经网络调节 PSMC控制律中的饱和函数内的等效 PID 系数。通过神经元和神经网络的在线学习能力 , 实现 PID 控制参数的在线自调节 , 既增强了鲁棒性 , 又保留了 PSMC特有的安全特性。通过康复机器人样机的穿戴实验 , 验证了改进后的参数自调节 PSMC作为关节位置控制器的有效性和可行性。法法 法