面向病理性震顫的抑震機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在醫(yī)療和康復(fù)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。醫(yī)療與康復(fù)機(jī)器人的研究發(fā)展迅速，成果顯著，為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)解決了許多問(wèn)題，已成為當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。病理性震顫通常出現(xiàn)在人體的上肢，雖不會(huì)危及患者的生命，但卻給患者的日常生活帶來(lái)了極大不便，甚至導(dǎo)致患者的生活不能自理。目前，醫(yī)學(xué)上尚無(wú)完全治愈震顫的方法。應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)對(duì)患者的震顫進(jìn)行抑制，從而使患者具有一定的生活自理能力，為目前醫(yī)學(xué)上缺少完全治愈震顫方法的現(xiàn)狀提供了一種有

2、效的解決途徑。
　　研究人員對(duì)人體上肢震顫的機(jī)械特性進(jìn)行了深入研究以后發(fā)現(xiàn)，震顫的人體上肢可視為一個(gè)二階生物力學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輸入為肌肉力矩，輸出為肢體的位置，改變系統(tǒng)的阻尼值可以改變系統(tǒng)對(duì)外界激勵(lì)的響應(yīng)，因此應(yīng)用抑震機(jī)器人對(duì)患者肢體施加可控阻尼，可以達(dá)到抑制震顫的效果。
　　基于人體上肢生物力學(xué)模型及人體工程學(xué)分析，研制了外骨骼結(jié)構(gòu)的抑震機(jī)器人。所研制的抑震機(jī)器人具有兩個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體肘部屈/伸、前臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中震顫

3、的抑震。抑震機(jī)器人肘部設(shè)計(jì)了傳感部分與抑震部分相分離的結(jié)構(gòu)，這樣可以利用人體的非剛體特性，通過(guò)角位移傳感器對(duì)震顫信息進(jìn)行檢測(cè)。抑震機(jī)器人工作時(shí)直接與人體直接接觸，安全性是需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一，因此選擇了被動(dòng)式器件提供抑震力矩。磁流變阻尼器具有優(yōu)越的可控制性，適合應(yīng)用于抑震機(jī)器人。設(shè)計(jì)了新型旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器，所設(shè)計(jì)的阻尼器磁路短，漏磁少，工作面積大，利于散熱，在較小的體積和能耗下，可以提供較大的阻尼力矩。研制了基于ARM的抑震機(jī)器人控

4、制器，控制器完成震顫信息的轉(zhuǎn)換與處理、抑震控制算法的運(yùn)行、控制量的輸出等工作。
　　針對(duì)所設(shè)計(jì)的磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用傳統(tǒng)磁路設(shè)計(jì)方法，對(duì)阻尼器進(jìn)行了磁路設(shè)計(jì)，獲得了阻尼器的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)阻尼器的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元分析，應(yīng)用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，建立了阻尼器的三維結(jié)構(gòu)模型，基于磁流變液與磁芯材料具有不同的非線性磁導(dǎo)特性的特點(diǎn)，應(yīng)用基于單元邊法的Solid117單元建立了阻尼器的有限元模型，進(jìn)行了三維靜態(tài)非線

5、性電磁場(chǎng)分析，獲得了阻尼器的性能參數(shù)，進(jìn)而對(duì)磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。完成了磁流變阻尼器的性能分析與優(yōu)化后，研制了磁流變阻尼器，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
　　人體為非剛體，人體與抑震機(jī)器人間為非剛性連接，在其相互作用過(guò)程中，人體始終會(huì)有彈性變形的存在，這一彈性變形的變形量可以顯示人體震顫信息。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合了模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)學(xué)習(xí)，可以使得模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)誤差控制具有較好的準(zhǔn)確性。但人體最大震顫

6、力矩的變化會(huì)改變被控被控對(duì)象的期望輸出值，這會(huì)影響模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制效果。為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了兩種不同的誤差量化方式，避免了人體最大震顫力矩時(shí)變性對(duì)抑震控制效果的影響，為了獲得被控對(duì)象準(zhǔn)確的期望輸出值，采用了逐步逼近期望值控制方法。抑震控制中，以模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為主要控制方法，以逐步逼近期望值控制方法作為輔助，可以達(dá)到理想的抑震效果。
　　研制了模擬人體上肢震顫裝置，為抑震機(jī)器人的抑震實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試結(jié)果顯示，模擬人體震顫裝