工学穿戴式下肢康复机器人的研究

院系：机械工程与自动化学院专业：机械制造及其自动化穿戴式下肢康复机器人的研究论文提纲12345研究意义与现状下肢康复机器人方案设计与运动学分析下肢康复机器人的步态规划下肢康复机器人步态康复模式的选择基于逆运动学和步态规划的康复模式实现6结论与展望22020/3/30研究意义与现状1研究意义我国每年发生脑卒中病人达200万，现存中风病人约700万，其中450万人具有不同程度的丧失劳动和生活自理能力，致残率高达65%，其中以肢体活动障碍为主。另外每年交通事故以及其它意外事故造成的下肢障碍患者也达数十万人。研究表明，由神经损伤引起的肢体运动障碍患者可以通过后天的康复训练部分或者完全恢复活动能力。但是，我国医疗条件有限，专业康复医疗机构设置较少，从业的医疗技师数量有限，导致许多下肢障碍患者没有条件和机会进行康复训练，从而错过了最佳的康复时期，造成终身遗憾。因此，对于可替代康复医师对下肢障碍患者进行康复训练的机器人研究很有必要。32020/3/30研究意义与现状1研究现状悬吊式非悬吊式瑞士Lokomat美国Motorica德国Lokohelp日本Hal-5型美国伯克利42020/3/30研究意义与现状1清华大学肢体功能训练器哈尔滨工程大学步态康复机器人浙江大学下肢康复样机52020/3/302下肢康复机器人方案设计与运动学分析自由度确定尺寸确定驱动方式确定下肢康复机器人模型下肢康复训练机器人三维模型本体设计62020/3/302正运动学分析连杆参数表式2.1式2.2式2.372020/3/30下肢康复机器人方案设计与运动学分析2正运动学仿真-300-200-1000100200300050100150200250300X向位移/mmZ向位移/mm右下肢足底位移轨迹82020/3/30下肢康复机器人方案设计与运动学分析3下肢康复机器人的步态规划步态规划的意义康复机器人的步态周期92020/3/303下肢康复机器人的步态规划步态规划方法基于能量原理的步态规划方法基于HMCD的步态规划方法基于人工神经网络的步态规划方法基于ZMP稳定判据步态规划方法102020/3/303下肢康复机器人的步态规划基于ZMP稳定判据的步态规划建立倒立摆模型倒立摆质心运动方程ZMP方程倒立摆的动力学方程112020/3/303下肢康复机器人的步态规划步态规划步态规划相关假设：重心（质心）的姿态、高度固定不变，且加速度为零；在单脚支撑时，ZMP固定，坐标原点就是ZMP；机器人重心在双脚支撑时是匀速运动；机器人双脚高度忽略不计；下肢康复机器人初始运动时在x和y方向上的速度为零。康复机器人在行走过程中，两脚底坐标系之间的距离、姿态始终不变。12穿戴式康复机器人步行的COG轨迹和ZMP轨迹2020/3/303下肢康复机器人的步态规划质心运动轨迹规划起步阶段前向平面侧向平面中步阶段止步阶段起步阶段中步阶段止步阶段X向Y向质心的轨迹规划132020/3/303下肢康复机器人的步态规划质心的轨迹规划起步阶段中步阶段止步阶段142020/3/303下肢康复机器人的步态规划摆动腿步态规划摆动腿运动轨迹规划起步阶段中步阶段止步阶段X向Y向X向Y向X向Y向152020/3/303下肢康复机器人的步态规划摆动腿轨迹规划起步阶段中步阶段X向Z向X向Z向162020/3/303下肢康复机器人的步态规划摆动腿轨迹规划止步阶段X向Z向172020/3/304康复训练流程病人就诊个人信息采集确定康复训练模式进行康复训练ABC个人信息：年龄、性别、身高、平均半步长度、下肢运动稳定性康复模式确定：模糊综合评判方法康复训练：结合步态规划利用逆运动学求解各关节转角182020/3/30下肢康复机器人步态康复模式的选择4模糊综合评判由于同一事物具有多种属性，因此在评价事物时应该兼顾各个方面，必须对多个相关的因素进行综合考虑，这就是所谓的综合评判，如果这种评判涉及模糊因素，便是模糊综合评判问题。步骤：建立因素集建立备择集单因素模糊评判建立权重集模糊综合评判192020/3/30下肢康复机器人步态康复模式的选择4利用模糊综合评判选择康复模式因素集备择集各单因素评判集权重集合成运算的选择评判指标的处理平均半步长、年龄、性别、身高、下肢稳定性八种不同的步幅训练运动模式影响因素隶属度表采用最大隶属度原则202020/3/30下肢康复机器人步态康复模式的选择4平均半步长(u1)ABCDEF范围(m)(0,0.1](0.1,0.2](0.2,0.3](0.3,0.4](0.4,0.5](0.5,—)1：因素集合：年龄(u2)Age1Age2Age3范围(岁)(—,30](30,50](50,—]性别(u3)MF身高(u4)LNH范围(m)(—,1.6](1.6,1.8](1.8,—]下肢稳定性（u5）好一般差212020/3/30下肢康复机器人步态康复模式的选择42：备择集合：康复模式分类(m)(m)F10.100.06F20.200.08F30.300.10F40.400.12F50.500.14F60.600.16F70.700.18F80.800.20S0H222020/3/30下肢康复机器人步态康复模式的选择4因素集康复模式的隶属度V1V2V3V4V5V6V7V8平均半步长A0.850.80.60.40000B0.70.80.750.60.5000C0.70.80.850.80.6000D0.60.70.80.850.80.500E0.40.60.70.750.80.850.80.7F0000.70.750.850.850.8年龄Age100000.650.750.80.6Age200000.700.800.750.6Age3000.40.70.850.750.60性别M0000.550.70.80.850.75F0000.450.750.850.800.6身高L0.70.850.750.40000N0.40.70.80.60.3000H00.50.70.850.50.300稳定性好00.40.70.80.60.400一般0.40.70.850.650.4000差0.70.80.60.400003：影响因素隶属度表232020/3/30模糊综合评判矩阵下肢康复机器人步态康复模式的选择44：权重集5：合成运算的选择6：评判指标的处理：利用最大隶属度原则：选择b值最大者的下标对应的康复模式作为目标模式。242020/3/30下肢康复机器人步态康复模式的选择患者患者资料统计平均半步长(m)年龄（岁）性别身高(m)下肢活动稳定性10.1820男1.85一般20.3527女1.74好30.0740男1.55差40.1635女1.82一般50.2550男1.58差患者12345康复模式选择结果V3V5V2V3V2计算实例4252020/3/30下肢康复机器人步态康复模式的选择5基于逆运动学和步态规划的康复模式实现逆运动学原理262020/3/305基于逆运动学和步态规划的康复模式实现逆运动学原理理想位姿确定？理论位姿求解？位姿差值求解？角度修正量求解？272020/3/305基于逆运动学和步态规划的康复模式实现理想位姿确定摆动腿位置：质心位置：三者位姿变换关系：质心轨迹曲线摆动腿轨迹曲线因此，右足末端相对于坐标系{6}之间的位姿：282020/3/305基于逆运动学和步态规划的康复模式实现右足末端相对于坐标系{6}之间的正变换矩阵：理论位姿求解292020/3/305基于逆运动学和步态规划的康复模式实现位姿差值求解其中：302020/3/305基于逆运动学和步态规划的康复模式实现角度修正量求解雅可比矩阵的定义式：方法二：方法一：角度修正量：312020/3/305基于逆运动学和步态规划的康复模式实现逆运动求解康复对象：1.60m男子利用康复模式1进行训练研究过程：结束双支撑期为起点——右足摆动刚接触地面为终点相关参数：小腿长0.39m，大腿长0.38m，腰部宽度2d=0.30m;起始时刻质心高度0.85m；半步长为0.1m，跨高0.05m，中步阶段时间ts1=0.175s，双足之间的距离为0.3m。322020/3/305基于逆运动学和步态规划的康复模式实现中步阶段质心运动轨迹y向轨迹X向轨迹y向轨迹X向轨迹332020/3/305基于逆运动学和步态规划的康复模式实现中步阶段摆动腿运动轨迹X向轨迹Z向轨迹Z向轨迹X向轨迹342020/3/305基于逆运动学和步态规划的康复模式实现求解结果逆运动学数值解：关节角度与时间的关系曲线拟合工具箱质心、摆动腿轨迹抽样352020/3/305基于逆运动学和步态规划的康复模式实现thet12thet11thet10thet8thet7362020/3/30结论与展望结论展望1、提出了一种穿戴式下肢康复机器人结构方案，进行了正运动学分析；2、采用倒立摆模型和ZMP稳定判据相结合的方法进行步态规划，得到了机器人质心和摆动腿的轨迹；3、提出了利用模糊综合评判的方法为患者选择步态康复模式方案；4、利用数值解求逆运动学的方法得到了步态康复模式F1中步阶段的左脚支撑时右侧下肢各关节角度的变化曲线及其函数表达式，通过经验判定得到的结果有效。为穿戴式下肢康复训练机器人控制系统的建立提供了理论依据和数据支持。1、穿戴式下肢康复机器人的本体设计还有待于进一步完善；2、利用数值解进行逆运动学分析时，当前算法收敛速度不够迅速、容错性不强，下一步的研究可以考虑引进智能算法进行改进，以使算法具有更好的收敛性和鲁棒性；3、对患者进行离线的康复状况判定使控制系统有非实时性的不足，随着生物探测和反馈控制技术的不断发展，在线监测患者康复状态的技术必将应用于下肢康复机器人领域，届时将为患者提供实时的康复监测结果。6372020/3/30382020/3/30