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1、 氣動肌肉腕關節(jié)和下肢康復機器人及其控制技術研究 康復訓練以神經可塑性為理論依據 , 能讓肢體運動功能障礙患者重新獲得日常行為能力。 康復機器人能夠帶動患者進行可重復、 高精度的康復運動 , 減少了醫(yī)生的工作強度 , 增加了患者的訓練時間和訓練強度 , 提高了康復效果。我國在康復機器人領域還處于起步階段。 因此 , 研制出具有自主知識產權的康復機器人具有深遠的意義。本文以安全可靠及成本低廉為目標 , 采用氣動肌肉作為關節(jié)驅動器研制了 2 款分別用于腕關節(jié)康復和下肢步態(tài)矯正的康復機器人。再從安全控制的角度出發(fā) , 引入了一種新型的代理滑?？刂品椒▽?/p>

2、所研制的康復機器人樣機進行位置控制。 并針對該方法在氣動肌肉驅動的康復機器人關節(jié)控制中缺乏魯棒性的問題 , 分別采用神經元和神經網絡對代理滑?？刂浦械木植繀颠M行在線自調節(jié)的方法 , 對代理滑?？刂七M行了改進。在不改變其特有的安全特性的前提下 , 增強了其魯棒性。首先, 為了了解氣動肌肉的輸出特性 , 為康復機器人設計提供依據 , 本文對現有的氣動肌肉模型進行了改進。 針對氣動肌肉橡膠筒壁厚及彈性模量隨氣動肌肉伸展 / 收縮而發(fā)生變化的實際情況 , 對氣動肌肉靜態(tài)力學模型中的彈性恢復力項進行了修正 , 通過實驗確定了彈性恢復力修正系數的數學表達式 , 提高了氣動肌肉模型的精度。 其次 , 針對

3、已有的腕關節(jié)康復機器人很少考慮上肢康復機器人與手功能外骨骼的相 容性 , 只適用于還具有抓握能力患者的問題 , 本文研制出一款氣動肌肉驅動的便攜式 2 自由度腕關節(jié)康復機器人樣機 , 適用于無力抓握的患者。它具有減輕病人承重負擔 , 避免與手指運動發(fā)生干涉 , 運動過程 更加自然 , 穿戴方便舒適等優(yōu)點。 再次 , 針對現有下肢外骨骼康復機器 人質量大 , 成本高 , 柔順性差的問題 , 本文研制了一款氣動肌肉驅動的 應用于步態(tài)矯正的下肢外骨骼康復機器人。 它能夠帶動人體髖膝關節(jié) 的屈伸運動 , 實現步態(tài)康復訓練 , 具有重量小

4、 , 成本低 , 安全性好的優(yōu) 點。然后 , 針對現有康復機器人底層位置控制大多以提高控制精度為 目標 , 而忽視了位置控制的安全性問題 , 本文采用基于代理的滑模 (Proxy-based sliding mode control,PSMC) 控制器和獨立的關節(jié)柔 順性控制器相結合的方法 , 提高了康復機器人關節(jié)控制的安全性。 PSMC控制器在保證控制精度的同時 , 對不可預測的大位置誤差具有慢 速過阻尼調節(jié)作用 , 避免了傳統控制方法調節(jié)過程中過高的關節(jié)角速 度可能對患者造成的二次傷害 , 具有很強的安全性能。獨立的關節(jié)

5、柔 順性控制器利用氣動肌肉關節(jié)內力大小對安全性能的影響以及氣動 肌肉關節(jié)內力 / 柔順性與初始張緊氣壓之間的關系 , 在不影響位置控 制的同時 , 減小了關節(jié)內力 , 進一步提升了氣動肌肉關節(jié)的安全性能。 最后 , 針對實際樣機實驗中 PSMC對不同負載情況下的氣動肌肉關節(jié) 位置控制缺乏魯棒性的問題 , 本文對 PSMC控制器提出了 2 種改進方 法 : 采用神經元 PID 控制器代替 PSMC中的 PID 控制器和引入 BP神經網絡調節(jié) PSMC控制律中的飽和函數內的等效 PID 系數。通過神經元和神經網絡的在線學習能力 , 實現 PID 控制參數的在線自調節(jié) , 既增強了魯棒性 , 又保留了 PSMC特有的安全特性。通過康復機器人樣機的穿戴實驗 , 驗證了改進后的參數自調節(jié) PSMC作為關節(jié)位置控制器的有效性和可行性。 法 法 法