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多自由度并聯康復機器人及其人機交互控制
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多自由度并聯康復機器人及其人機交互控制 版權信息
- ISBN：9787568088312
- 條形碼：9787568088312 ; 978-7-5680-8831-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：
多自由度并聯康復機器人及其人機交互控制 本書特色
該書對機電一體化、生物機器人、人機交互、智能控制等領域的專家、學者、和研究生從事康復機器人方面的研究具有重要參考價值。
多自由度并聯康復機器人及其人機交互控制 內容簡介
本書面向“健康中國”戰略，總結了研究團隊近年來在多自由度并聯康復機器人及其人機交互控制方面的重要研究進展和成果，充分闡述了多自由度康復機器人的背景、驅動、構型、控制系統和應用技術，綜合探討了康復機器人的驅動與傳感技術、并聯機構及康復機器人實例、下肢康復機器人的力反饋交互控制和肌電自主控制、基于生物信號的人機交互接口，以及氣動腳踝康復機器人的柔順控制和腦機協作控制，*后討論了康復機器人在柔性外骨骼結構、可穿戴傳感設備和以患者為中心的控制策略方面的發展趨勢。本書旨在為從事康復機器人科學和技術研究及產品開發的科技工作者、老師和學生提供有益的參考，可作為高職高專機械電子信息及相關專業基礎課程的教材，也可供工程技術人員參考。
多自由度并聯康復機器人及其人機交互控制 目錄
第1章康復機器人概述/1
1.1緒論/1
1.2多自由度康復機器人/3
1.2.1多自由度康復機器人機構/3
1.2.2氣動肌肉驅動的康復機器人/9
1.3康復機器人的控制/13
1.3.1機器人輔助康復訓練模式/13
1.3.2康復機器人控制方法/16
1.4康復機器人關鍵技術分析/28
1.5本章小結/30
本章參考文獻/30
第2章康復機器人的驅動與傳感技術/45
2.1康復機器人驅動技術/45
2.1.1剛性驅動器/45
2.1.2氣動肌肉驅動器/47
2.1.3新型柔性驅動器/48
2.2康復機器人傳感技術/53
2.2.1物理信息傳感器/53
2.2.2生物信息傳感器/58
2.2.3新型光纖傳感器/66
2.3本章小結 /72
本章參考文獻/72
第3章并聯機構及康復機器人實例/76
3.1多自由度并聯機構及其應用/76
3.1.1多自由度并聯機器人/76
3.1.2并聯機構在康復中的應用/81
3.2六自由度并聯下肢康復機器人/83
3.2.1六自由度并聯機器人機構/84
3.2.2下肢康復機器人運動學模型/84
3.2.3下肢康復機器人動力學模型/89
3.2.4下肢康復機器人系統集成/91
3.3二自由度并聯腳踝康復機器人/94
3.3.1二自由度并聯機器人機構/94
3.3.2腳踝康復機器人運動學模型/97
3.3.3腳踝康復機器人動力學模型/100
3.3.4腳踝康復機器人系統集成/103
3.4本章小結/106
本章參考文獻/107
第4章下肢康復機器人的力反饋交互控制/111
4.1下肢康復機器人力/位置混合控制/111
4.1.1力/位置混合控制原理及結構/111
4.1.2力/位置混合控制仿真平臺/114
4.1.3基于力的機器人輔助康復訓練策略/117
4.1.4機器人的力/位置混合控制實驗/119
4.2基于阻抗模型的康復機器人交互控制/124
4.2.1阻抗模型及阻抗控制原理/125
4.2.2康復機器人自適應阻抗控制/127
4.2.3基于阻抗的虛擬管道按需輔助/130
4.2.4實驗結果及分析/133
4.3本章小結/139
本章參考文獻/140
第5章氣動腳踝康復機器人的柔順控制/142
5.1氣動肌肉的柔順性建模/142
5.1.1氣動肌肉的結構與工作原理/142
5.1.2氣動肌肉力位移氣壓模型/144
5.1.3氣動肌肉的變剛度模型/145
5.2末端柔順的腳踝康復機器人導納控制/146
5.2.1任務空間導納控制原理及結構/147
5.2.2腳踝關節主動力矩模型/149
5.2.3機器人導納控制器實現/151
5.3柔性腳踝康復機器人層級柔順控制/155
5.3.1基于自適應調節的層級柔順控制/155
5.3.2層級柔順實驗及結果分析/157
5.4本章小結/163
本章參考文獻/164
第6章基于生物信號的人機交互接口/166
6.1基于肌電信號的運動意圖識別/166
6.1.1肌電信號預處理與特征提取/166
6.1.2下肢多源特征參數分析/167
6.1.3基于多源信息的運動意圖識別/176
6.2神經肌肉模型及其控制接口/181
6.2.1骨骼肌肉建模/182
6.2.2參數辨識及模型驗證/186
6.2.3肌電驅動的機械臂自主控制/193
6.3腦電信號及其識別/196
6.3.1P300/SSVEP信號及特征提取/197
6.3.2P300/SSVEP意圖信號的識別/200
6.3.3基于SSVEP/P300的腦機接口/201
6.4本章小結/207
本章參考文獻/207
第7章下肢康復機器人的肌電自主控制/213
7.1基于肌體狀態的下肢康復機器人變阻抗控制/213
7.1.1肌肉活動狀態和肌力分析/213
7.1.2適應肌體活動的變阻抗控制/215
7.1.3實驗結果及分析/217
7.2動作意圖主導的下肢康復機器人協作控制/224
7.2.1患者肌體疲勞狀態評估/224
7.2.2疲勞避免自適應阻抗控制/231
7.2.3患者主導的人肌機協作控制/236
7.3本章小結/242
本章參考文獻/243
第8章腳踝康復機器人的腦機協作控制/245
8.1基于運動想象腦電信號的意圖識別/245
8.1.1運動想象腦電信號預處理/245
8.1.2基于腦網絡的通道選擇/248
8.1.3基于多域特征融合的運動想象分類/250
8.2基于運動想象的腳踝機器人協作控制/255
8.2.1基于運動想象的腦控機器人系統/255
8.2.2腳踝康復機器人的腦機協作控制/258
8.2.3實驗結果及分析/260
8.3本章小結/265
本章參考文獻/265
第9章總結/268
9.1全書工作總結/268
9.2未來研究展望/270
本章參考文獻/272
展開全部
多自由度并聯康復機器人及其人機交互控制 節選
?四軸并聯機器人平臺1. 基于運動平板/跑步機的外骨骼式機器人基于運動平板/跑步機的外骨骼式機器人通常包括一個身體減重支撐系統，穿戴于患者下肢，在患者于跑步機上進行行走訓練時提供輔助。瑞士蘇黎世Hocoma公司的Lokomat機器人如圖11（a）所示，是一種典型的基于跑步機和減重支撐系統的下肢康復機器人。患者下肢固定于機器人的外骨骼框架之內，通過控制機器人向患者髖關節和膝關節提供輔助力\[39\]。德國Lokohelp小組開發了一種與Lokomat結構相類似的下肢康復機器人\[27\]，不同之處在于此機器人將跑步機的運動傳遞給運動平板，通過對平板的跟蹤控制來模擬步態運動\[40\]。近年來，荷蘭特溫特大學開發了一種新的步態訓練機器人LOPES\[23\]，如圖11（b）所示。LOPES外骨骼式機器人包括三個驅動旋轉關節以及在髖關節處的平移和自由組件，在輔助患者進行跑步機訓練時可與其下肢保持并行。美國特拉華大學設計了一種外骨骼式機器人ALEX\[28\]，在髖關節和膝關節通過線性驅動器為下肢提供輔助動力\[41\]。雖然基于減重支撐系統和跑步機的外骨骼機器人能夠為患者提供較好的訓練，但此類機器人設備笨重、價格昂貴、操作復雜，完成一位患者的訓練通常需要兩位以上的操作者，進行下肢康復訓練的成本較大。此外，減重支撐系統的使用可能會在某種程度上限制患者的運動自由。圖11典型的基于跑步機的外骨骼式康復機器人2. 下肢矯形器類外骨骼式機器人下肢矯形器是一種穿戴于患者下肢的外骨骼式機器人，在患者行走過程中提供輔助動力。美國麻省理工學院的Blaya和Herr開發了一種主動踝足關節矯形器（active anklefoot orthosis，AAFO）\[29\]，如圖12（a）所示，是一種用于足下垂（dropfoot）患者步態康復訓練的重要設備。美國密歇根大學的Sawicki和Ferris采用氣動肌肉作為外骨骼機器人的驅動單元，開發了一種膝踝足關節矯形器機器人（kneeanklefoot orthosis，KAFO），如圖12（b）所示\[30\]。氣動肌肉具有輸出力與自重之比大和內在柔順安全等優點，使機器人可在患者行走過程中提供屈/伸力矩以實現運動康復訓練。德國的Fleischer等人也開發了一種下肢矯形器\[44\]，其通過解析肌電信號獲得患者運動意圖。混合輔助機器人（hybrid assistive limb，HAL）是由日本筑波大學和Cyberdyne公司開發的一種全身可穿戴式機器人，可用于康復訓練以及負重輔助等\[31\]。伯克利下肢外骨骼（Berkley lower extremity exoskeleton，BLEEX）是由美國加州大學伯克利分校開發的一種提高用戶行走能力和力量的外骨骼式機器人\[32\]，該機器人具有7個自由度，其中4個由液壓執行器驅動。雖然矯形器類外骨骼式機器人能夠為患者的步態屈伸運動提供輔助動力，但外骨骼式機器人存在造價高、能量需求大、難以適用于不同患者的缺點。另外，在人機交互時外骨骼式機器人的控制存在諸多不確定性，這在一定程度上限制了該類機器人的廣泛應用。圖12典型的下肢矯形器類外骨骼式機器人3. 基于踏板的端部式機器人對于此類下肢康復機器人，患者腳部將固定于機器人踏板之上，通過控制踏板帶動下肢運動來模擬不同的步態階段。德國RehaStim公司的步態訓練器Gait Trainer GTI\[33\]如圖13（a）所示，是一個伺服控制的步態訓練機器人，用于幫助患者恢復其肢體運動能力\[46\]。Hesse等人設計了名為Haptic Walker的下肢康復機器人，如圖13（b）所示，該機器人包括兩個機械平臺，可驅動患者肢體實現任意運動\[26\]。Haptic Walker可視為GTI機器人的重新設計和演化，可實現不同步態模式和可調節步行速度的模擬仿真。瑞士Reha Technology AG公司的GEOSystems機器人被用于模擬行走和上下臺階的運動\[34\]，該機器人由兩個踏板組成，可在水平和垂直方向上編程實現行走與攀爬訓練。GEOSystems與Haptic Walker機器人的設計應用目標類似，不過其尺寸規格更小\[47\]。然而，這些機器人設備很少能夠模擬在不同地形的行走狀態。Yoon等\[48\]提出了一種六自由度步態訓練機器人，其腳部末端設計為由兩個直線執行器驅動的并聯機構，允許患者實現在不同地形的訓練，如步行、爬樓梯或斜坡等。由于外骨骼式機器人能夠在患者站立階段提供支撐，與之相比，此類端部式機器人的缺點在于其訓練過程需要額外的人工幫助。圖13典型的基于踏板的端部式機器人4. 基于平臺的端部式機器人基于平臺的端部式機器人使患者在訓練過程中保持不動，僅將其下肢（如腳部）固定于動平臺之上，通過控制動平臺的運動實現肢體訓練。由于并聯機器人具有結構明確、控制簡單、適應性強等優點，多自由度并聯機構在下肢康復機器人中應用越來越廣泛。意大利理工學院提出了一種用于腳踝康復的并聯機器人\[35\]，利用定制化的直線驅動器來執行所需要的訓練。此設備僅能實現背屈/跖屈、內翻/外翻兩個自由度的運動。新西蘭奧克蘭大學的Xie等人開發了面向腳踝三自由度運動的并聯康復機器人\[37\]，首先提出了一種由直線電機驅動的四軸機器人，然后設計了一種由氣動肌肉驅動的可穿戴式四軸冗余并聯機器人\[38\]，如圖14（a）所示。Rutgers Ankle是一種典型的基于Stewart平臺結構的腳踝康復機器人\[25\]，通過協同控制其六根直線電動缸實現上平臺的自由運動，如圖14（b）所示。在本章參考文獻\[49\]中，該系統又進一步擴展為基于雙Stewart平臺配置的步態模擬與康復機器人系統。圖14典型的基于平臺的端部式康復機器人通過上述分析比較可知，外骨骼式機器人通常與患肢多部位接觸，然而這種多方位接觸方式可能不利于患者某部分運動功能的恢復，這也導致了其對不同患者的適應能力較差。另外，外骨骼式機器人一般結構復雜、造價較高\[50\]。與之相比，端部式機器人通常僅與患肢某一部位接觸，不會對患者肢體的其他運動自由產生限制，更適合不同的患者使用\[51\]。同時，端部式機器人結構明確，控制簡單，成本較低。本章參考文獻\[52\]也指出，通過端部式機器人和外骨骼式機器人的比較研究發現，端部式機器人在患者的康復訓練中效果更好。
多自由度并聯康復機器人及其人機交互控制 作者簡介
1985年畢業于華中工學院無線電系，一直在高校從事教學與科研工作。主要研究方向為信號處理、故障診斷、信號檢測理論及應用。近5年來，主持國家自然科學基金(重大)子項1項、國家自然科學基金面上項目2項、國家863計劃項目2項、國家973項目（軍口）子項1項等國家和省部級項目20余項。獲國家優秀教學成果二等獎1項、湖北省優秀教學成果一等獎3項、省部級科技獎5項。發表SCI學術論文40余篇，獲授權國家發明專利20余項。現為通信工程國家教學團隊和國家特色專業負責人、湖北省名師工作室負責人、“信號與系統”和“數字信號處理”國家精品課和國家資源共享課的負責人，以及“現代信號處理技術在生活中的應用”國家視頻公開課負責人；主編著作（教材）9本，其中2本為國家“十一五”規劃教材。
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