绳牵引康复机器人设计及其控制算法研究

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1、绳牵引康复机器人设计及其控制算法研究DesignofCable-basedRehabilitationRobotandResearchofControlAlgorithm学位申请人：杨锦专业名称：生物医学工程导师姓名及职称：宋嵘副教授答辩委员会主席（签名）：委员（签名）：年月日论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：

2、日期：年月日学位论文使用授权声明本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文；可以为建立了馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。保密论文保密期满后，适用本声明。学位论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日中山大学硕士学位论文绳牵引康复机器人设计及其控制算法研究专业：生物医学工程硕士生：杨锦指导教师：宋嵘摘要脑卒

3、中等脑血管疾病是包括中国、美国等国家致残率最高的疾病。目前三分之二的脑卒中幸存患者会存在单侧运动功能障碍，俗称―偏瘫‖，它严重影响患者日常生活，给国家和家庭带来了沉重的经济负担。临床上传统的康复治疗方法为康复治疗师一对一的手动牵引进行物理治疗，该方法能够改善患者肢体运动功能，但存在着许多不足，物理治疗师无法长时间进行康复训练，治疗效果受治疗师的技术影响，人力成本高等。机器人技术有着可控性强、不知疲倦等特点，为其逐渐向康复领域应用提供了契机。康复机器人能够提高患者康复效率，弥补物理治疗师的不足，满足社会对康复治疗的迫切需求。结合人体上肢生理结构和康复机器人的设计要求，研制了一套绳索

4、牵引上肢康复机器人，首先搭建了绳牵引机器人的机械平台，包括立方体框架的静平台、手托动平台和绳索牵引装置。接着搭建了机器人的硬件平台，分为信号采集系统和运动控制平台，信号采集系统包括表面肌电信号滤波放大电路、运动捕捉系统和绳索拉力传感器，自主研发了一款高信噪比的表面肌电信号采集电路板，基于定滑轮平衡原理设计一套绳索拉力传感器。运动控制平台包括以下几个部分，PC、运动控制卡、电机驱动器和直接驱动电机。依托一个正常的上肢生理参数确定机器人的结构参数，建立绳牵引机器人空间模型，根据三角形封闭原理分析机器人的运动学逆解模型，基于牛顿拉普森方法近似求解运动学正解。同时基于手托动平台及上肢的受

5、力情况，建立了该平台的静力学模型，利用牛顿定律建立了手托动平台及上肢的动力学模型。为了满足不同康复训练模式的要求，提出了两套控制算法，分别为以运动学参数为控制源的模糊逻辑阻抗控制算法和基于表面肌I绳牵引康复机器人设计及其控制算法研究电信号的助力控制算法。进行模糊逻辑阻抗控制算法仿真实验，验证模糊阻抗控制器能获得更好的位置跟踪性能。接着进行一个正常人的模糊阻抗控制算法验证实验，实验结果表明控制器的阻抗参数能够根据模糊逻辑进行迭代调整，模糊逻辑阻抗控制器能够获得更好的位置跟踪性能，同时保持相同的力学控制性能。最后开展了5个正常人的基于表面肌电信号的助力控制算法验证实验，分为无助力对照

6、组和有助力实验组完成，实验结果证明基于表面肌电信号的助力控制算法能提供拟人的机器人助力，并补偿上肢的部分运动功能。关键词：脑卒中；绳牵引；康复机器人；模糊阻抗控制；肌电信号II中山大学硕士学位论文DesignofCable-basedRehabilitationRobotandResearchofControlAlgorithmMajor:BiomedicalEngineeringName:YangJinSupervisor:Dr.SongRongAbstractStrokeisaleadingcauseofpermanentdisabilityinChina,USAandoth

7、ercountries.Twothirdsofthestrokepatientshaveunilateralmovementdisorder,whichisknownashemiplegia.Hemiplegiaseriouslyaffectsthepatients’dailylife,andbringsheavyeconomicburdentothecountriesandfamilies.Traditionalrehabilitationtherapyiscarriedout