工學(xué)穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人的研究.ppt

1、,院系：機(jī)械工程與自動化學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械制造及其自動化,穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人的研究,論文提綱,研究意義與現(xiàn)狀,下肢康復(fù)機(jī)器人方案設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)分析,下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃,下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)康復(fù)模式的選擇,基于逆運(yùn)動學(xué)和步態(tài)規(guī)劃的康復(fù)模式實(shí)現(xiàn),結(jié)論與展望,2,2020/7/22,研究意義與現(xiàn)狀,1,研究意義,我國每年發(fā)生腦卒中病人達(dá)200萬，現(xiàn)存中風(fēng)病人約700萬，其中450萬人具有不同程度的喪失勞動和生活自理能力，致殘率高達(dá)65%，其中以肢體活動障礙為主。另外每年交通事故以及其它意外事故造成的下肢障礙患者也達(dá)數(shù)十萬人。 研究表明，由神經(jīng)損傷引起的肢體運(yùn)動障礙患者可以通過后天的康復(fù)訓(xùn)練部分或者

2、完全恢復(fù)活動能力。 但是，我國醫(yī)療條件有限，專業(yè)康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)設(shè)置較少，從業(yè)的醫(yī)療技師數(shù)量有限，導(dǎo)致許多下肢障礙患者沒有條件和機(jī)會進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，從而錯過了最佳的康復(fù)時(shí)期，造成終身遺憾。 因此，對于可替代康復(fù)醫(yī)師對下肢障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人研究很有必要。,3,2020/7/22,研究意義與現(xiàn)狀,1,研究現(xiàn)狀,懸吊式,非懸吊式,4,2020/7/22,研究意義與現(xiàn)狀,1,5,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人方案設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)分析,自由度確定,尺寸確定,驅(qū)動方式確定,下肢康復(fù)機(jī)器人 模型,下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人三維模型,本體設(shè)計(jì),6,2020/7/22,正運(yùn)動學(xué)分析,連桿參數(shù)表,式2.1,式2.2,

3、式2.3,7,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人方案設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)分析,正運(yùn)動學(xué)仿真,右下肢足底位移軌跡,8,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人方案設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)分析,下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃,步態(tài)規(guī)劃的意義,康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)周期,9,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃,步態(tài)規(guī)劃方法,基于能量原理的步態(tài)規(guī)劃方法,基于HMCD的步態(tài)規(guī)劃方法,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的步態(tài)規(guī)劃方法,基于ZMP穩(wěn)定判據(jù)步態(tài)規(guī)劃方法,10,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃,基于ZMP穩(wěn)定判據(jù)的步態(tài)規(guī)劃,建立倒立擺模型,倒立擺質(zhì)心運(yùn)動方程,ZMP方程,倒立擺的動力學(xué)方程,11,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器

4、人的步態(tài)規(guī)劃,步態(tài)規(guī)劃,步態(tài)規(guī)劃相關(guān)假設(shè)： 重心（質(zhì)心）的姿態(tài)、高度固定不變， 且加速度為零 ； 在單腳支撐時(shí)，ZMP固定，坐標(biāo)原點(diǎn)就 是ZMP； 機(jī)器人重心在雙腳支撐時(shí)是勻速運(yùn)動； 機(jī)器人雙腳高度忽略不計(jì)； 下肢康復(fù)機(jī)器人初始運(yùn)動時(shí)在x和y方 向上的速度為零。 康復(fù)機(jī)器人在行走過程中，兩腳底坐 標(biāo)系之間的距離、姿態(tài)始終不變。,12,穿戴式康復(fù)機(jī)器人步行的COG軌跡和ZMP軌跡,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃,質(zhì)心運(yùn)動軌跡規(guī)劃,起步階段,前向平面,側(cè)向平面,中步階段,止步階段,起步階段,中步階段,止步階段,X向,Y向,質(zhì)心的軌跡規(guī)劃,13,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)

5、規(guī)劃,質(zhì)心的軌跡規(guī)劃,起步階段,中步階段,止步階段,14,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃,擺動腿步態(tài)規(guī)劃,擺動腿運(yùn)動軌跡規(guī)劃,起步階段,中步階段,止步階段,X向,Y向,X向,Y向,X向,Y向,15,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃,擺動腿軌跡規(guī)劃,起步階段,中步階段,X向,Z向,X向,Z向,16,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃,擺動腿軌跡規(guī)劃,止步階段,X向,Z向,17,2020/7/22,康復(fù)訓(xùn)練流程,個人信息：年齡、性別、身高、平均半步長度、下肢運(yùn)動穩(wěn)定性 康復(fù)模式確定：模糊綜合評判方法 康復(fù)訓(xùn)練：結(jié)合步態(tài)規(guī)劃利用逆運(yùn)動學(xué)求解各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角,18,202

6、0/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)康復(fù)模式的選擇,模糊綜合評判,由于同一事物具有多種屬性，因此在評價(jià)事物時(shí)應(yīng)該兼 顧各個方面，必須對多個相關(guān)的因素進(jìn)行綜合考慮，這就是 所謂的綜合評判，如果這種評判涉及模糊因素，便是模糊綜 合評判問題。 步驟： 建立因素集 建立備擇集 單因素模糊評判 建立權(quán)重集 模糊綜合評判,19,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)康復(fù)模式的選擇,利用模糊綜合評判選擇康復(fù)模式,因素集,備擇集,各單因素評判集,權(quán)重集,合成運(yùn)算的選擇,評判指標(biāo)的處理,平均半步長、年齡、性別、身高、下肢穩(wěn)定性,八種不同的步幅訓(xùn)練運(yùn)動模式,影響因素隸屬度表,采用最大隸屬度原則,20,2020/7/2

7、2,下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)康復(fù)模式的選擇,1：因素集合：,21,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)康復(fù)模式的選擇,2：備擇集合：,22,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)康復(fù)模式的選擇,3：影響因素隸屬度表,23,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)康復(fù)模式的選擇,4：權(quán)重集,5：合成運(yùn)算的選擇,6：評判指標(biāo)的處理：,利用最大隸屬度原則：選擇b值最大者的下標(biāo)對應(yīng)的康復(fù)模式作為目標(biāo)模式。,24,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)康復(fù)模式的選擇,計(jì)算實(shí)例,25,2020/7/22,下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)康復(fù)模式的選擇,基于逆運(yùn)動學(xué)和步態(tài)規(guī)劃的康復(fù)模式實(shí)現(xiàn),逆運(yùn)動學(xué)原理,26,2020/7/2

8、2,基于逆運(yùn)動學(xué)和步態(tài)規(guī)劃的康復(fù)模式實(shí)現(xiàn),逆運(yùn)動學(xué)原理,理想位姿確定？,理論位姿求解？,位姿差值求解？,角度修正量求解？,27,2020/7/22,基于逆運(yùn)動學(xué)和步態(tài)規(guī)劃的康復(fù)模式實(shí)現(xiàn),理想位姿確定,擺動腿位置：,質(zhì)心位置：,三者位姿變換關(guān)系：,質(zhì)心軌跡曲線,擺動腿軌跡曲線,因此，右足末端相對于坐標(biāo)系6之間 的位姿：,28,2020/7/22,基于逆運(yùn)動學(xué)和步態(tài)規(guī)劃的康復(fù)模式實(shí)現(xiàn),右足末端相對于坐標(biāo)系6 之間的正變換矩陣：,理論位姿求解,29,2020/7/22,基于逆運(yùn)動學(xué)和步態(tài)規(guī)劃的康復(fù)模式實(shí)現(xiàn),位姿差值求解,其中：,30,2020/7/22,基于逆運(yùn)動學(xué)和步態(tài)規(guī)劃的康復(fù)模式實(shí)現(xiàn),角度修正

9、量求解,雅可比矩陣的定義式：,方法二：,方法一：,角度修正量：,31,2020/7/22,基于逆運(yùn)動學(xué)和步態(tài)規(guī)劃的康復(fù)模式實(shí)現(xiàn),逆運(yùn)動求解,康復(fù)對象：1.60m男子利用康復(fù)模式1進(jìn)行訓(xùn)練 研究過程：結(jié)束雙支撐期為起點(diǎn)右足擺動剛接觸地面為終點(diǎn) 相關(guān)參數(shù)： 小腿長0.39m，大腿長0.38m，腰部寬度2d=0.30m; 起始時(shí)刻質(zhì)心高度0.85m； 半步長為0.1m，跨高0.05m，中步階段時(shí)間ts1=0.175s，雙足之間的距離為0.3m。,32,2020/7/22,基于逆運(yùn)動學(xué)和步態(tài)規(guī)劃的康復(fù)模式實(shí)現(xiàn),中步階段質(zhì)心運(yùn)動軌跡,y向軌跡,X向軌跡,y向軌跡,X向軌跡,33,2020/7/22,基于

10、逆運(yùn)動學(xué)和步態(tài)規(guī)劃的康復(fù)模式實(shí)現(xiàn),中步階段擺動腿運(yùn)動軌跡,X向軌跡,Z向軌跡,Z向軌跡,X向軌跡,34,2020/7/22,基于逆運(yùn)動學(xué)和步態(tài)規(guī)劃的康復(fù)模式實(shí)現(xiàn),求解結(jié)果,逆運(yùn)動學(xué)數(shù)值解：關(guān)節(jié)角度與時(shí)間的關(guān)系,曲線擬合工具箱,質(zhì)心、擺動腿軌跡抽樣,35,2020/7/22,基于逆運(yùn)動學(xué)和步態(tài)規(guī)劃的康復(fù)模式實(shí)現(xiàn),thet12,thet11,thet10,thet8,thet7,36,2020/7/22,結(jié)論與展望,結(jié)論,展望,1、提出了一種穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)行了正運(yùn)動學(xué)分析； 2、采用倒立擺模型和ZMP穩(wěn)定判據(jù)相結(jié)合的方法進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，得到了機(jī)器人質(zhì)心和擺動腿的軌跡； 3、提出了利用模糊綜合評判的方法為患者選擇步態(tài)康復(fù)模式方案； 4、利用數(shù)值解求逆運(yùn)動學(xué)的方法得到了步態(tài)康復(fù)模式F1中步階段的左腳支撐時(shí)右側(cè)下肢各關(guān)節(jié)角度的變化曲線及其函數(shù)表達(dá)式，通過經(jīng)驗(yàn)判定得到的結(jié)果有效。為穿戴式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)的建立提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。,1、穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)還有待于進(jìn)一步完善； 2、利用數(shù)值解進(jìn)行逆運(yùn)動學(xué)分析時(shí)，當(dāng)前算法收斂速度不夠迅速、容錯性不強(qiáng)， 下一步的研究可以考