人体起立过程建模与起立功能康复训练控制系统研究

论文摘要

起立是人们日常生活和参与社会活动必备的重要活动之一，由于脊髓损伤导致起立功能的丧失会极大地影响截瘫患者的生活质量。因此，开展针对截瘫患者起立功能康复专用运动器械及其相关技术的研究一直是康复领域的重点课题之一。本文建立了人体起立动力学模型，在分析正常人体起立过程关节运动规律的基础上，研究了如何准确的控制外部辅助起立装置帮助下肢残疾人体完成起立动作，实现起立功能训练和下肢康复的目的。本文详细叙述了FES康复技术和辅助起立装置的国内外发展现状，介绍了几种常见的辅助起立装置的功能特点。根据正常人体起立过程的视频录像，获取不同采样时刻人体起立的下肢关节轨迹，并将关节角位置参数作为已知条件，利用双曲正切复合函数轨迹规划方法，对正常人体起立过程下肢关节运动进行轨迹规划，得到起立过程下肢关节运动规律。结合仿真环境，不断调整设计参数，进行辅助起立功能康复训练系统结构设计，以期达到最佳设计效果。建立了九段九自由度式刚性人体模型和简化的四段四自由度式刚性人体动力学模型，参考下肢关节轨迹规划数据，分别对人体起立过程中下肢关节的关节反力、关节主动力矩等动力学参数进行理论求解和仿真分析，得到了正常人体起立过程各个关节动力学参数在时域内的变化规律。给出一个算例，得到下肢残疾患者起立过程各个关节动力学参数的变化规律，与正常人体同组数据对比，分析下肢残疾患者起立困难的原因，得出“膝关节力矩不足导致起立困难”的结论。建立髋关节处辅助起立功能康复训练系统为人体提供辅助力的求解方程，以弥补不足的膝关节主动力矩。根据传感器测取残疾人体起立过程中足底和手部的支撑力，以髋关节质心位置为反馈信号，设计PID位置控制器，使残疾人体髋关节跟踪正常人体起立髋关节质心参考轨迹。以髋关节位置控制器为内环，设计阻抗控制器，实时控制下肢残疾人体起立过程中辅助起立康复训练系统末端执行器(平移座)对人体提供的辅助支撑力，并利用扩展的卡尔曼滤波算法对其进行了预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题的研究目的及意义
• 1.3 起立康复技术的研究现状
• 1.3.1 FES康复技术
• 1.3.2 起立康复技术
• 1.4 本论文主要内容
• 第2章 人体起立动力学建模与仿真
• 2.1 轨迹参数的获取
• 2.1.1 视频获取
• 2.1.2 视频处理
• 2.2 下肢关节轨迹规划
• 2.2.1 轨迹规划算法
• 2.2.2 轨迹规划结果
• 2.3 人体起立模型
• 2.3.1 人体起立数学模型
• 2.3.2 正常人体的起立
• 2.3.3 残疾人体的起立
• 2.4 本章小结
• 第3章 辅助起立装置的结构设计
• 3.1 平面连杆式辅助起立装置
• 3.1.1 机构的动力学分析
• 3.1.2 装置的参数配置
• 3.2 机构的动力学仿真
• 3.3 辅助力的求解
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统设计与仿真
• 4.1 要实现的控制任务
• 4.2 控制策略
• 4.2.1 PID控制
• 4.2.2 阻抗控制
• 4.2.3 扩展的卡尔曼滤波算法
• 4.3 PID控制器设计
• 4.3.1 PID 控制器设计原则
• 4.3.2 算例：PID 控制器设计
• 4.4 辅助力的控制
• 4.4.1 辅助力-曲柄力矩数学模型
• 4.4.2 控制器设计
• 4.4.3 辅助力的预测
• 4.5 阻抗控制器设计
• 4.5.1 控制框图
• 4.5.2 PID 位置控制器
• 4.5.3 基于位置的阻抗控制器
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历