手指創(chuàng)傷功能康復機械手系統(tǒng)研究.pdf

1、康復機器人作為機器人技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域內(nèi)的一種應用給康復理論的發(fā)展和臨床康復技術(shù)的進步帶來了新的動力，已經(jīng)成為機器人領(lǐng)域中一個重要的研究方向。手指創(chuàng)傷功能康復機械手作為康復機器人的一個分支，其主要任務(wù)是輔助手外傷患者進行術(shù)后的康復訓練，依據(jù)現(xiàn)代循證醫(yī)學（Evidence Based Medicine，簡稱EBM）和連續(xù)被動活動（Continuous Passive Motion，簡稱CPM）理論，可以使患者在盡可能短的時間內(nèi)恢復健康。為了給

2、手外傷患者提供一個用于手功能康復治療的儀器設(shè)備，給手外科康復醫(yī)師提供一個臨床研究的平臺，提高手功能康復治療的自動化、智能化水平，本文結(jié)合省科技攻關(guān)計劃重點項目“創(chuàng)傷手指臨床康復CPM醫(yī)療機械手系統(tǒng)開發(fā)”研制了手指創(chuàng)傷功能康復機械手系統(tǒng)，并重點圍繞機械手的康復原理、機械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)設(shè)計、測量系統(tǒng)設(shè)計、運動學和動力學分析、位置控制算法、康復模式和系統(tǒng)實踐等關(guān)鍵技術(shù)問題進行了深入的研究。
　　根據(jù)臨床康復的需要，設(shè)計了康復機械手康復治

3、療方案，在分析了人手生物學特性的基礎(chǔ)上，研制了手指創(chuàng)傷功能康復機械手系統(tǒng)。康復機械手系統(tǒng)的機械本體包括測量機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)兩部分，其中驅(qū)動機構(gòu)部分放置于人手的外側(cè)，通過連桿耦合傳動機構(gòu)模擬手指的自然運動來帶動單手指或多手指完成彎曲/伸展康復治療?？祻瓦^程中能夠保證康復力始終垂直作用于手指骨，從而避免了對手指創(chuàng)傷關(guān)節(jié)周圍軟組織的進一步破壞?？祻蜋C械手驅(qū)動機構(gòu)耦合連桿之間利用齒輪機構(gòu)實現(xiàn)運動的傳遞，減少了系統(tǒng)自由度，降低了設(shè)計的復雜性和成本，

4、減輕了系統(tǒng)的重量。采用機電一體化的設(shè)計思想，將康復機械手機構(gòu)本體與驅(qū)動、傳感、電氣和控制系統(tǒng)等統(tǒng)一進行考慮?；贔PGA的電機驅(qū)動系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責電機驅(qū)動，同時完成傳感器和編碼器數(shù)據(jù)的采集和傳輸；基于 DSP的實時任務(wù)處理系統(tǒng)負責高密集度的計算任務(wù)；基于ARM的人機交互系統(tǒng)運行Linux操作系統(tǒng)，負責多任務(wù)處理和人機交互功能。通過采用這種分層的控制策略滿足了康復機械手實時控制和康復應用的要求。
　　基于外骨骼式滑動導桿結(jié)構(gòu)設(shè)

5、計了康復機械手測量系統(tǒng)機構(gòu)本體，機構(gòu)集成了關(guān)節(jié)位置傳感器和指尖力傳感器，能夠?qū)崟r反饋手指的關(guān)節(jié)角度、力信息。采用改進粒子群優(yōu)化方法對擴張狀態(tài)觀測器的可調(diào)參數(shù)進行了優(yōu)化，并將其應用到基于位置傳感器信號的速度參數(shù)估計中，解決了用位置差分方法計算速度反饋信號噪聲大的問題。將提取出的速度信號作為控制系統(tǒng)的速度反饋，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。
　　文中基于機器人學理論分別建立了人手和康復機械手的數(shù)學模型，并對人手單手指的運動學、靜力學和康復機械

6、手的運動學、動力學進行了分析，為創(chuàng)傷手指關(guān)節(jié)力學特性測量和康復機械手的運動控制打下了基礎(chǔ)。
　　為了克服外部干擾和參數(shù)變化對康復機械手的影響，使康復運動過程具有良好的穩(wěn)定性能，以擾動觀測器為內(nèi)環(huán)，自適應滑模變結(jié)構(gòu)控制器為外環(huán)設(shè)計了康復機械手魯棒雙環(huán)位置控制器。內(nèi)環(huán)擾動觀測器通過產(chǎn)生一定的校正信號，抑制外部擾動；基于自適應控制律的外環(huán)滑?？刂破魇瓜到y(tǒng)達到一定的性能要求。這種雙環(huán)控制策略在閉環(huán)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上進一步減小了各種干擾和系統(tǒng)參數(shù)