五自由度上肢康復機器人訓練系統的研究.pdf

1、隨著現代康復醫(yī)學的發(fā)展，利用機器人康復訓練系統進行神經中樞康復已成為國內外研究的熱點之一。該技術不僅可以滿足傳統康復治療中的各項需求，而且康復醫(yī)師及患者可以直接從系統中獲取所需的訓練信息，從而為更加深入了解神經-運動康復規(guī)律提供了可能。
　　本文主要圍繞腦卒中后上肢偏癱運動功能的恢復問題，為彌補臨床腦卒中偏癱康復治療中的訓練效率低、無法全面采集患者的實時數據、康復效果評價不夠客觀等諸多不足，研究如何利用五自由度（以下簡稱5-DOF

2、）上肢康復機器人建立上肢智能康復訓練系統，為上肢偏癱康復開辟新的技術途徑。本文以臨床康復醫(yī)學和控制理論為基礎，將機器人與虛擬現實技術相結合、運動訓練與心理訓練相結合，主要解決:數學模型的建立，優(yōu)化控制功能及康復評價等關鍵技術問題，最終形成一種輔助或替代醫(yī)師完成患肢康復訓練及評價的特種機器人系統。論文的主要研究工作包括:
　　(1)上肢康復醫(yī)學理論研究。在研究上肢康復的相關醫(yī)學理論的基礎上，對腦卒中成因及運動訓練-神經功能重塑-肢體

3、功能恢復三者相互關系進行了闡述，指出肢體運動功能康復訓練是利用腦可塑性促進功能重組的必要條件。同時，文中給出上肢各關節(jié)的運動形式及其對肌肉功能的影響，并對臨床腦卒中上肢偏癱康復的運動療法進行深入研究，總結各治療方法的主要特征及優(yōu)缺點，提出上肢康復機器人進行腦卒中上肢偏癱康復訓練的訓練原則。
　　(2)上肢康復及評價系統構建。鑒于目前腦卒中康復中缺乏評價——訓練——檢測功能為一體的上肢智能康復訓練系統，本文結合臨床要求，利用5-DO

4、F上肢康復機器人構建具有閉環(huán)結構的智能上肢康復訓練系統，給出總體框架結構及系統組成，并詳細闡述了功能評價、訓練執(zhí)行及信息檢測三個子系統的設計原則、主要功能及相互關系。
　　(3)5-DOF上肢康復機器人模型研究?；贒-H表示法建立5-DOF上肢康復機器人正運動學模型以及基于反變換法建立5-DOF上肢康復機器人逆運動學模型，為后續(xù)動力學模型的建立奠定基礎;提出一種拉格朗日動力學的簡化計算方法，給出新的動力學方程，根據電機、傳動設備

5、的性能要求建立5-DOF上肢康復機器人動力學模型，并討論模型中的各種不確定因素，計算結果表明，該簡化計算方法大大提高了建模速度;將系統的特征規(guī)律和物理構成有機結合，利用虛擬現實技術建立5-DOF上肢康復機器人三維運動模型;在虛擬現實環(huán)境中對運動學及動力學模型進行可視化仿真，不僅充分驗證了運動學及動力學模型的準確性，而且直觀、真實的展現了5-DOF上肢康復機器人的運行過程。
　　(4)上肢康復機器人控制策略的研究。依據上肢康復機器人

6、的訓練方式，針對5-DOF上肢康復機器人模型中不確定性問題，提出具有多周期輸入信號的5-DOF上肢康復機器人H∞狀態(tài)反饋魯棒重復控制，使5-DOF上肢康復機器人系統既有高精度的跟蹤性能又具備較強的魯棒穩(wěn)定性。仿真結果表明，該方法能夠達到高精度快速跟蹤的目的且系統穩(wěn)定性較高，實現穩(wěn)態(tài)無差跟蹤控制。
　　(5)上肢康復機器人運動功能評價方法的研究。根據臨床運動功能的評價方法及結果，針對康復評價中專家評分差異性的問題，將決策分析中常用的

7、層次分析法與模糊分析法相結合，提出一種將定性定量相結合的、系統化的自校正AHP-模糊分析的評價方法。本文將自校正AHP-模糊分析的評價法應用于5-DOF上肢康復機器人運動功能評價中，將臨床運動功能評價內容轉化為5-DOF上肢康復機器人運動功能評價的指標體系，制定各評價指標的評定標準，包括:肌力及關節(jié)活動度評定標準、平衡功能評定標準及協調性功能評定標準等，并確定評價指標的遞階層次關系及評語體系，建立5-DOF上肢康復機器人運動功能綜合評價