基于sEMG與交互力等多源信號(hào)融合的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人及其臨床實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著老齡人口的不斷增加，慢性疾病患者急劇增多。有限的醫(yī)療資源與對(duì)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療服務(wù)的旺盛需求形成鮮明的矛盾。另一方面，調(diào)查表明，對(duì)于中風(fēng)等疾病導(dǎo)致的神經(jīng)損傷，不及時(shí)或不恰當(dāng)?shù)闹委煏?huì)引起偏癱甚至癱瘓。主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練是最有效的康復(fù)手段之一，而通過(guò)傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備卻難以實(shí)現(xiàn)。
　　本學(xué)位論文以外骨骼機(jī)器人為研究對(duì)象，以有效的臨床康復(fù)為目標(biāo)，對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別、人體-外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的閉環(huán)控制、系統(tǒng)構(gòu)建及臨床實(shí)驗(yàn)開展了深入的研究，旨在實(shí)現(xiàn)人體-外骨

2、骼系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，為下肢外骨骼機(jī)器人的臨床應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)，最終希望能為下肢運(yùn)動(dòng)功能損傷患者的恢復(fù)提供有效的康復(fù)治療手段。本學(xué)位論文的主要工作及成果歸納如下:
　　為使下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)能在臨床康復(fù)中得到應(yīng)用，根據(jù)中樞神經(jīng)損傷患者的Brunnstrom分期對(duì)不同階段的患者在康復(fù)過(guò)程中的需求進(jìn)行分析，制定了主、被動(dòng)式下肢康復(fù)策略，以及基于實(shí)時(shí)檢測(cè)與評(píng)估的遞進(jìn)式康復(fù)策略。然而，要實(shí)現(xiàn)有效的康復(fù)治療依然面臨著幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題和難點(diǎn)有待解

3、決:人體運(yùn)動(dòng)意圖的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別、人體-外骨骼系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制、外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的建立及其臨床康復(fù)實(shí)驗(yàn)。
　　針對(duì)人體運(yùn)動(dòng)意圖的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別問(wèn)題，緩解人機(jī)一體化系統(tǒng)中，由于機(jī)械及控制系統(tǒng)延遲而造成的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)延遲，提出微分式sEMG實(shí)時(shí)特征提取算法。通過(guò)人工合成信號(hào)及sEMG信號(hào)特征提取實(shí)驗(yàn)，證明基于AR模型的微分式特征頻率算法相比傳統(tǒng)算法能夠提前約50ms同時(shí)準(zhǔn)確性提高約10％。利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與生物力學(xué)模型，提出基于sEMG、人體關(guān)

4、節(jié)轉(zhuǎn)角和人機(jī)交互力等多源信號(hào)的運(yùn)動(dòng)識(shí)別算法。通過(guò)健全人的外骨骼機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)助力實(shí)驗(yàn)，比較了具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別過(guò)程中的不同性能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選取其中最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)算法相比，利用現(xiàn)有算法的實(shí)驗(yàn)誤差能夠減小約6.4％。
　　針對(duì)人體-外骨骼系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，建立人-機(jī)雙向交互接口——基于sEMG的運(yùn)動(dòng)控制接口和基于力交互EPP的信息反饋接口。運(yùn)動(dòng)控制接口通過(guò)實(shí)時(shí)采集sEMG信號(hào)、人機(jī)交互力和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

5、信息，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多源信息融合和人體運(yùn)動(dòng)意圖預(yù)測(cè)，并基于外骨骼系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型，控制外骨骼機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。信息反饋通道實(shí)時(shí)檢測(cè)外骨骼關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)矩信息，經(jīng)轉(zhuǎn)換成為氣囊壓力值，控制氣囊壓力變化，將信息以氣壓形式反饋給人體。并基于這一人機(jī)接口，建立人機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)控制模型。人機(jī)協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)者能夠通過(guò)人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)指定關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，在要求轉(zhuǎn)角分別為0°，30°和60°時(shí)，其誤差的均方根值分別為6.9780°，

6、7.7946°和9.6750°。
　　針對(duì)下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)開發(fā)及其臨床應(yīng)用問(wèn)題，根據(jù)人體下肢特征及步態(tài)特性，設(shè)計(jì)并制作了下肢外骨骼本體結(jié)構(gòu)及輔助支撐機(jī)構(gòu);完成外骨骼系統(tǒng)各功能模塊的軟、硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)。其中，下肢外骨骼包含髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩個(gè)主動(dòng)自由度，其活動(dòng)范圍分別為-25～60°和0～110°，通過(guò)滾珠絲杠和四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng);根據(jù)不同患者的需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了床式、座椅式、站立式輔助支撐機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)臥姿、坐姿、站姿等不同姿態(tài)的康復(fù)訓(xùn)練