沉浸式下肢康复机器人的人机交互方法及其应用研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:robinchen
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目前,由于中风、脊髓损伤和脑损伤等疾病的高发病率和致残率而导致肢体瘫痪患者数量庞大,受到社会的广泛关注。由于肢体瘫痪患者的本质是中枢神经系统存在损伤,运动康复成为患者中枢神经的重组和代偿的主要形式。  针对上述情况,使用机器人辅助康复训练能够提高康复效率,降低康复训练师劳动强度,更大程度帮助患者进行中枢神经系统重组和代偿,并且能够提供多种形式的康复训练模式,从而提高康复效果,可以广泛应用于临床康复。然而,现有的康复机器人系统存在很多缺点,临床效果有待进一步验证。本文针对下肢康复机器人系统展开研究,分析现有康复机器人不足,重点研究下面两个问题:第一是患者主动运动意图识别;第二是人机交互方法。前者是基于传感器进行患者主动运动意图识别,从而实现患者主动参与康复训练;后者是基于虚拟现实场景,提高患者主动参与康复训练积极性,提高康复训练效果。本文的主要研究内容和创新点:  (1)下肢康复机器人动力学模型。在高耦合和强非线性限制条件下,提出基于虚功原理和拉格朗日法建立下肢动力学模型,并对模型参数进行辨识,进而估计出康复训练中下肢关节扭矩和关节拉压力。  (2)患者主动运动意图辨识及交互控制策略。基于动力学模型辨识出患者主动运动意图,并且根据患者能力提出模糊变阻抗的交互控制策略,实现机器人系统的主动柔顺控制,保证患者康复训练的安全。最后通过健康人人体实验验证了方法有效性。  (3)基于虚拟现实场景的人机交互设计。为了提高患者主动参与康复训练的意识与积极性,本文设计了基于虚拟现实技术的场景重构康复训练场景,主要游戏场景——体育场,包括游戏有步行竞速游戏,自行车竞速游戏等。  根据本文的主要研究对象结合临床康复医学知识,提出基于虚拟现实技术的康复机器人的人机交互策略。根据康复机器人和人体的动力学模型,提出主动控制策略和人机交互方法并进行相应实验进行验证。
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