健患侧融合踝关节康复机器人研究
作者2019-04-17 14:53未知
踝关节位于人体下肢远端,在人的行走和运动中起着重要作用。随着人口进入老龄化的趋势,脑卒中偏瘫引起踝关节运动功能障碍的现象越来越突出;此外,由于意外跌倒、剧烈运动和交通事故等原因引起踝关节损伤也是一种普遍的现象。踝关节康复训练是脑卒中偏瘫和踝关节损伤后进行康复治疗的一项重要内容,特别是对脑卒中偏瘫早期患者的步态恢复非常重要。踝关节康复训练通常以人工训练为主,踝关节患者借助于踝关节康复器械或者依赖临床医师的操作手法进行康复训练。临床医师的操作手法是踝关节康复训练中的一种有效手段,但是当前踝关节康复器械功能不完善、患者参与低、无法再现临床医师的操作手法。对临床医师本人来说,踝关节康复训练的操作手法需要长期经验的积累,进行踝关节康复训练的劳动强度比较大。而康复机器人结合了康复医学和机器人技术,成为近年来机器人领域的一个研究热点,在康复治疗中得到了广泛应用。但是,现有踝关节康复机器人存在训练模式单一、机构设计不合理和缺乏患者信息反馈等缺点。因此,本文在“健患侧融合”这一新颖概念的基础上,研发一种健患侧融合踝关节康复机器人,以模拟临床医师的操作手法,提高踝关节患者的参与度。该健患侧融合踝关节康复机器人采用新型串联机构创新设计,因此也被称为新型串联踝关节康复机器人。该踝关节康复机器人的两侧机构对称,它的运动与人体踝关节的生理运动高度符合,即具有三个旋转自由度、运动中心与踝关节生理中心重合。该踝关节康复机器人还拥有丰富的传感器,能够完成对踝关节康复训练时的速度、位置和力矩的监测和控制。它不仅能再现临床医师的操作手法,完成多种康复训练模式,而且能够记录踝关节康复训练过程中的运动和力信息,方便临床医师对踝关节患者的情况进行量化评估。首先,介绍了国内外在踝关节康复机器人方面的重要研究成果,从机构设计和控制系统设计等方面对各种踝关节康复机器人的特点进行分析。在总结踝关节康复机器人的不足和踝关节康复机器人的发展趋势的基础上,提出本文要研发一种健患侧融合踝关节康复机器人的目标。然后,进行踝关节康复机器人的设计需求分析。从踝关节生理结构和运动、踝关节康复训练两个方面进行分析,明确踝关节康复机器人机构设计和控制系统设计的目标和参数。其次,根据踝关节康复机器人机构的设计目标,提出新型串联机构方案,将机构分为内旋外旋机构、背屈趾屈机构和内翻外翻机构三个运动部分进行串联。完成了新型踝关节康复机器人本体结构设计、传动系统设计和限位结构设计后,在ADAMS软件中建立了新型踝关节康复机器人的虚拟样机,对它的运动机构进行动力学分析。再次,根据踝关节康复机器人控制系统的设计目标,从电气系统设计、软件系统设计和控制策略三个部分完成踝关节康复机器人控制系统设计,并结合ADAMS和MATLAB软件对踝关节康复机器人进行联合仿真。电气系统设计部分介绍了电机、驱动器和传感器等电子元器件的选型,结合本体结构和电气系统,完成踝关节康复机器人物理样机装配;软件系统设计部分介绍了驱动器和运动函数库的应用、C++Builder软件的应用和踝关节康复机器人控制界面设计;控制策略部分介绍了踝关节康复机器人机构控制策略,以及踝关节主动训练、被动训练和健患侧融合训练三种康复训练模式的控制策略。最后,编写无刷直流伺服电机点动控制、位置控制和往复运动控制等基本控制程序,将这些基本控制程序应用于踝关节康复机器人物理样机的各个运动机构上,通过调整获得最佳控制参数。特别地,进行了非线性PID位置控制算法的测试,以改善机构的位置控制;对往复运动控制引入正弦时间函数作为目标轨迹,以改善机构运行状况。为了对该踝关节康复机器人机构的运动扭矩进行监测和实施力矩控制,进行了力矩测量实验。选取健康个体在该踝关节康复机器人上进行踝关节被动训练、主动训练和健患侧融合训练,以证明该健患侧融合踝关节康复机器人可以实现预期的功能。
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