下肢康复训练机器人关键技术研究

下肢康复训练机器人主要用于辅助由于中风、脑损伤等神经中枢受损造成的偏瘫、瘫痪等行走功能障碍患者急性期过后的运动康复训练。传统行走训练方法,治疗师的劳动强度大,患者训练强度、持续性难以保证。康复训练机器人在提供重复稳定的定量运动输入方面具有很大的优越性,不仅可从康复早期为患者提供康复辅助训练,更有利于大脑神经功能重组和代偿发生,而且可为患者提供多种训练模式、训练场景及运动效果反馈,满足康复训练的需要。下肢康复训练机器人可作为康复中心或者家庭中使用的自动化步行康复训练设备,具有较高的实际应用价值和广阔的市场前景。本文得到国家自然科学基金“下肢康复训练机器人关键技术研究”的资助,针对下肢康复训练机器人的机构、运动学及动力学、运动规划方法及控制策略等关键问题进行详细的理论分析和仿真研究。 综述了国内外在下肢康复训练机器人及相关领域的研究现状。在对国内外现有下肢康复训练机器人在机构、运动规划及控制策略分析和比较的基础上,针对行走功能障碍患者对运动康复训练和康复治疗的需求,基于人体行走步态运动规律分析,提出了一种新型下肢康复机器人机构方案和具有三种康复训练模式的控制方案。机器人机构由四自由度步态控制机构和五自由度骨盆控制机构组成,通过两者之间的运动协调控制,可实现人体三维步态运动控制,满足步态康复训练和人体平衡的要求。 结合机构自身特点,对空间五自由骨盆控制机构的工作空间进行了分析,给出了一种求解该类并联机构工作空间的解析方法,克服了采用一维或多维数值搜索方法带来的计算耗时问题。确定了机构实际工作空间及机构尺寸约束条件。 对步态控制机构、骨盆控制机构、7段12自由度人体模型进行了正逆运动学分析,建立了相应的机构模型,通过仿真验证了各机构运动学分析及机构模型的正确性,为动力学分析和控制系统研究奠定了基础。 根据人体步行运动中步态及骨盆运动特点,对步态控制机构和骨盆控制机构进行了运动规划,给出了步态控制机构运动规划方法和骨盆控制机构运动的参数化模型及模型参数优化方法。该方法可生成满足不同对象、步速、步态时相的人体步态运动,且满足人体下肢关节生理约束,符合协调步行运动中下肢各关节的运动规律,满足下肢康复训练要求。 基于对人体负载的力学分析,建立步态机构和骨盆控制机构的动力学模型,并进行了逆动力学仿真研究,仿真结果为驱动器及减速器的选择提供了参考数据。 针对步态机构和骨盆控制机构控制要求和负载特点,确定了相应机构控制策略,建立了控制系统仿真模型,进行了控制系统仿真研究,获得了满足控制要求的控制器参数。 在步态控制机构和骨盆控制机构仿真分析的基础上,建立了以被动人体为训练对象的人机系统模型,并进行了仿真研究。仿真研究结果验证了下肢康复机器人机构的合理性和运动规划方法的正确性。为机器人样机的进一步研制奠定了模型基础。