工学]穿戴式下肢康复机器人的研究

院系：机械工程与自动化学院院系：机械工程与自动化学院 专业：机械制造及其自动化专业：机械制造及其自动化 穿戴式下肢康复机器人的研究穿戴式下肢康复机器人的研究 论文提纲论文提纲 1 2 3 4 5 研究意义与现状研究意义与现状 下肢康复机器人方案设计与运动学分析下肢康复机器人方案设计与运动学分析 下肢康复机器人的步态规划下肢康复机器人的步态规划 下肢康复机器人步态康复模式的选择下肢康复机器人步态康复模式的选择 基于逆运动学和步态规划的康复模式实现基于逆运动学和步态规划的康复模式实现 6 结论与展望结论与展望 2 2021/8/30 研究意义与现状研究意义与现状 1 研究意义研究意义 我国每年发生脑卒中病人达200万万，现存中风病人约700万万，其中450万万人具有不同程度的丧失劳动和生活自理能力，致残率高达65%，其中以肢体活动障碍为主。另外每年交通事故以及其它意外事故造成的下肢障碍患者也达数十万数十万人。 研究表明，由神经损伤引起的肢体运动障碍患者可以通过后天的康复训练部分或者完全恢复活动能力。 但是，我国医疗条件有限医疗条件有限，专业康复医疗机构设置较少康复医疗机构设置较少，从业的医疗技师数量有限数量有限，导致许多下肢障碍患者没有条件和机会进行康复训练，从而错过了最错过了最佳的康复时期佳的康复时期，造成终身遗憾。 因此，对于可替代康复医师替代康复医师对下肢障碍患者进行康复训练的机器人研究很有必要。 3 2021/8/30 研究意义与现状 1 研究现状研究现状 悬吊式悬吊式 非悬吊式非悬吊式 瑞士 Lokomat 美国 Motorica 德国 Lokohelp 日本 Hal-5型 美国 伯克利 4 2021/8/30 研究意义与现状 1 清华大学 肢体功能训练器 哈尔滨工程大学 步态康复机器人 浙江大学 下肢康复样机 5 2021/8/30 2 下肢康复机器人方案设计与运动学分析下肢康复机器人方案设计与运动学分析 自由度确定自由度确定 尺寸确定尺寸确定 驱动方式确定驱动方式确定 下肢康复机器人下肢康复机器人 模型模型 下肢康复训练机器人三维模型 本体设计本体设计 6 2021/8/30 2 正运动学分析正运动学分析 连杆参数表 式2.1 式2.2 式2.3 7 2021/8/30 下肢康复机器人方案设计与运动学分析下肢康复机器人方案设计与运动学分析 2 正运动学仿真正运动学仿真 -300-200-1000100200300050100150200250300X向 位 移 /mmZ向位移/mm 右下肢足底位移轨迹 8 2021/8/30 下肢康复机器人方案设计与运动学分析下肢康复机器人方案设计与运动学分析 3 下肢康复机器人的步态规划下肢康复机器人的步态规划 步态规划的意义步态规划的意义 康复机器人的步态周期康复机器人的步态周期 9 2021/8/30 3 下肢康复机器人的步态规划下肢康复机器人的步态规划 步态规划方法步态规划方法 基于能量原理的步态规划方法基于能量原理的步态规划方法 基于基于HMCDHMCD的步态规划方法的步态规划方法 基于人工神经网络的步态规划方法基于人工神经网络的步态规划方法 基于基于ZMPZMP稳定判据步态规划方法稳定判据步态规划方法 10 2021/8/30 3 下肢康复机器人的步态规划下肢康复机器人的步态规划 基于基于ZMP稳定判据的步态规划稳定判据的步态规划 建立倒立摆模型建立倒立摆模型 倒立摆质心运动方程倒立摆质心运动方程 ZMPZMP方程方程 倒立摆的动力学方程倒立摆的动力学方程 11 2021/8/30 3 下肢康复机器人的步态规划下肢康复机器人的步态规划 步态步态规划规划 步态规划相关假设： 重心（质心）的姿态、高度固定不变， 且加速度为零 ； 在单脚支撑时，ZMP固定，坐标原点就 是ZMP； 机器人重心在双脚支撑时是匀速运动； 机器人双脚高度忽略不计； 下肢康复机器人初始运动时在x和y方 向上的速度为零。 康复机器人在行走过程中，两脚底坐 标系之间的距离、姿态始终不变。 12 穿戴式康复机器人步行的穿戴式康复机器人步行的COGCOG轨迹和轨迹和ZMPZMP轨迹轨迹 2021/8/30 3 下肢康复机器人的步态规划下肢康复机器人的步态规划 质心运动轨迹规划质心运动轨迹规划 起步阶段起步阶段 前向平面前向平面 侧向平面侧向平面 中步阶段中步阶段 止步阶段止步阶段 起步阶段起步阶段 中步阶段中步阶段 止步阶段止步阶段 X X向向 Y Y向向 质心的轨迹规划质心的轨迹规划 13 2021/8/30 3 下肢康复机器人的步态规划下肢康复机器人的步态规划 质心的轨迹规划质心的轨迹规划 起步阶段起步阶段 中步阶段中步阶段 止步阶段止步阶段 14 2021/8/30 3 下肢康复机器人的步态规划下肢康复机器人的步态规划 摆动腿步态规划摆动腿步态规划 摆动腿运动轨迹规划摆动腿运动轨迹规划 起步阶段起步阶段 中步阶段中步阶段 止步阶段止步阶段 X X向向 Y Y向向 X X向向 Y Y向向 X X向向 Y Y向向 15 2021/8/30 3 下肢康复机器人的步态规划下肢康复机器人的步态规划 摆动摆动腿轨迹规划腿轨迹规划 起步阶段起步阶段 中步阶段中步阶段 X向 Z向 X向 Z向 16 2021/8/30 3 下肢康复机器人的步态规划下肢康复机器人的步态规划 摆动摆动腿轨迹规划腿轨迹规划 止步阶段止步阶段 X向 Z向 17 2021/8/30 4 康复训练流程康复训练流程 病人就诊个人信息采集确定康复训练模式进行康复训练ABC个人信息：年龄、性别、身高、平均半步长度、下肢运动稳定性 康复模式确定：模糊综合评判方法 康复训练：结合步态规划利用逆运动学求解各关节转角 18 2021/8/30 下肢康复机器人步态康复模式的选择下肢康复机器人步态康复模式的选择 4 模糊模糊综合评判综合评判 由于同一事物具有多种属性，因此在评价事物时应该兼 顾各个方面，必须对多个相关的因素进行综合考虑，这就是 所谓的综合评判综合评判，如果这种评判涉及模糊因素，便是模糊综模糊综 合评判问题合评判问题。 步骤： 建立因素集 建立备择集 单因素模糊评判 建立权重集 模糊综合评判 19 2021/8/30 下肢康复机器人步态康复模式的选择下肢康复机器人步态康复模式的选择 4 利用模糊综合评判选择康复模式利用模糊综合评判选择康复模式 因素集 备择集 各单因素评判集 权重集 合成运算的选择 评判指标的处理 平均半步长、年龄、性别、身高、下肢稳定性 八种不同的步幅训练运动模式 影响因素隶属度表 采用最大隶属度原则 20 2021/8/30 下肢康复机器人步态康复模式的选择下肢康复机器人步态康复模式的选择 4 平均半步长平均半步长(u1) A B C D E F 范围(m) (0,0.1 (0.1,0.2 (0.2,0.3 (0.3,0.4 (0.4,0.5 (0.5,) 1：因素集合： 年龄年龄(u2) Age1 Age2 Age3 范围(岁) (,30 (30,50 (50, 性别性别(u3) M F 身高身高(u4) L N H 范围(m) (,1.6 (1.6,1.8 (1.8, 下肢稳定性下肢稳定性（u5） 好好 一般一般 差差 21 2021/8/30 下肢康复机器人步态康复模式的选择下肢康复机器人步态康复模式的选择 4 2：备择集合： 康复模式分类康复模式分类 (m) (m) F1 0.10 0.06 F2 0.20 0.08 F3 0.30 0.10 F4 0.40 0.12 F5 0.50 0.14 F6 0.60 0.16 F7 0.70 0.18 F8 0.80 0.20 S0H22 2021/8/30 下肢康复机器人步态康复模式的选择下肢康复机器人步态康复模式的选择 4 因素集因素集 康复模式的隶属度康复模式的隶属度 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 平均半步长平均半步长 A 0.85 0.8 0.6 0.4 0 0 0 0 B 0.7 0.8 0.75 0.6 0.5 0 0 0 C 0.7 0.8 0.85 0.8 0.6 0 0 0 D 0.6 0.7 0.8 0.85 0.8 0.5 0 0 E 0.4 0.6 0.7 0.75 0.8 0.85 0.8 0.7 F 0 0 0 0.7 0.75 0.85 0.85 0.8 年龄年龄 Age1 0 0 0 0 0.65 0.75 0.8 0.6 Age2 0 0 0 0 0.70 0.80 0.75 0.6 Age3 0 0 0.4 0.7 0.85 0.75 0.6 0 性别性别 M 0 0 0 0.55 0.7 0.8 0.85 0.75 F 0 0 0 0.45 0.75 0.85 0.80 0.6 身高身高 L 0.7 0.85 0.75 0.4 0 0 0 0 N 0.4 0.7 0.8 0.6 0.3 0 0 0 H 0 0.5 0.7 0.85 0.5 0.3 0 0 稳稳 定定 性性 好 0 0.4 0.7 0.8 0.6 0.4 0 0 一般 0.4 0.7 0.85 0.65 0.4 0 0 0 差 0.7 0.8 0.6 0.4 0 0 0 0 3：影响因素隶属度表 23 2021/8/30 模糊综合评判矩阵模糊综合评判矩阵 下肢康复机器人步态康复模式的选择下肢康复机器人步态康复模式的选择 4 4：权重集 5：合成运算的选择 6：评判指标的处理： 利用最大隶属度原则：选择b值最大者的下标对应的康复模式作为目标模式。 24 2021/8/30 下肢康复机器人步态康复模式的选择下肢康复机器人步态康复模式的选择 患者患者 患者资料统计患者资料统计 平均 半步长(m) 年龄 （岁） 性别 身高 (m) 下肢活动稳定性 1 0.18 20 男 1.85 一般 2 0.35 27 女 1.74 好 3 0.07 40 男 1.55 差 4 0.16 35 女 1.82 一般 5 0.25 50 男 1.58 差 患者患者 1 2 3 4 5 康复模式选择结果 V3 V5 V2 V3 V2 计算实例计算实例 4 25 2021/8/30 下肢康复机器人步态康复模式的选择下肢康复机器人步态康复模式的选择 5 基于逆运动学和步态规划的康复模式实现基于逆运动学和步态规划的康复模式实现 逆运动学原理逆运动学原理 26 2021/8/30 5 基于逆运动学和步态规划的康复模式实现基于逆运动学和步态规划的康复模式实现 逆运动学原理逆运动学原理 理想位姿确定？ 理论位姿求解？ 位姿差值求解？ 角度修正量求解？ 27 2021/8/30 5 基于逆运动学和步态规划的康复模式实现基于逆运动学和步态规划的康复模式实现 理想位姿确定理想位姿确定 摆动腿位置： 质心位置： 三者位姿变换关系： 质心轨迹曲线 摆动腿轨迹曲线 因此，右足末端相对于坐标系6之间 的位姿： 28 2021/8/30 5 基于逆运动学和步态规划的康复模式实现基于逆运动学和步态规划的康复模式实现 右足末端相对于坐标系6 之间的正变换矩阵： 理论位姿求解理论位姿求解 29 2021/8/30 5 基于逆运动学和步态规划的康复模式实现基于逆运动学和步态规划的康复模式实现 位姿差值求解位姿差值求解 其中：其中： 30 2021/8/30 5 基于逆运动学和步态规划的康复模式实现基于逆运动学和步态规划的康复模式实现 角度修正量求解角度修正量求解 雅可比矩阵的定义式： 方法二：方法二： 方法一：方法一： 角度修正量：角度修正量： 31 2021/8/30 5 基于逆运动学和步态规划的康复模式实现基于逆运动学和步态规划的康复模式实现 逆运动求解逆运动求解 康复对象：1.60m男子利用康复模式1进行训练 研究过程：结束双支撑期为起点右足摆动刚接触地面为终点 相关参数： 小腿长0.39m，大腿长0.38m，腰部宽度2d=0.30m; 起始时刻质心高度0.85m； 半步长为0.1m，跨高0.05m，中步阶段时间ts1=0.175s，双足之间的距离为0.3m。 32 2021/8/30 5 基于逆运动学和步态规划的康复模式实现基于逆运动学和步态规划的康复模式实现 中步阶段质心运动轨迹中步阶段质心运动轨迹 y向轨迹 X向轨迹 y向轨迹 X向轨迹 33 2021/8/30 5 基于逆运动学和步态规划的康复模式实现基于逆运动学和步态规划的康复模式实现 中步阶段摆动腿运动轨迹中步阶段摆动腿运动轨迹 X向轨迹 Z向轨迹 Z向轨迹 X向轨迹 34 2021/8/30 5 基于逆运动学和步态规划的康复模式实现基于逆运动学和步态规划的康复模式实现 求解结果求解结果 逆运动学数值解：关节角度与时间的关系逆运动学数值解：关节角度与时间的关系 曲线拟合曲线拟合工具箱工具箱 质心、摆动腿轨迹抽样质心、摆动腿轨迹抽样 35 2021/8/30 5 基于逆运动学和步态规划的康复模式实现基于逆运动学和步态规划的康复模式实现 thet12 thet11 thet10 thet8 thet7 36 2021/8/30 结论与展望结论与展望 结论结论 展望展望 1、提出了一种穿戴式下肢康复机器人结构方案，进行了正运动学分析； 2、采用倒立摆模型和ZMP稳定判据相结合的方法进行步态规划，得到了机器人质心和摆动腿的轨迹； 3、提出了利用模糊综合评判的方法为患者选择步态康复模式方案； 4、利用数值解求逆运动学的方法得到了步态康复模式F1中步阶段的左脚支撑时右侧下肢各关节角度的变化曲线及其函数表达式，通过经验判定得到的结果有效。为穿戴式下肢康复训练机器人控制系统的建立提供了理论依据和数据支持。 1、穿戴式下肢康复机器人的本体设计还有待于进一步完善； 2、利用数值解进行逆运动学分析时，当前算法收敛速度不够迅速、容错性不强， 下一步的研究可以考虑引进智能算法进行改进，以使算法具有更好的收敛性和鲁棒性； 3、对患者进行离线的康复状况判定使控制系统有非实时性的不足，随着生物探测和反馈控制技术的不断发展，在线监测患者康复状态的技术必将应用于下肢康复机器人领域，届时将为患者提供实时的康复监测结果。 6 37 2021/8/30 38 2021/8/30