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多自由度并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人及其人機(jī)交互控制
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多自由度并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人及其人機(jī)交互控制 版權(quán)信息
- ISBN：9787568088312
- 條形碼：9787568088312 ; 978-7-5680-8831-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類(lèi)：
多自由度并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人及其人機(jī)交互控制 本書(shū)特色
該書(shū)對(duì)機(jī)電一體化、生物機(jī)器人、人機(jī)交互、智能控制等領(lǐng)域的專家、學(xué)者、和研究生從事康復(fù)機(jī)器人方面的研究具有重要參考價(jià)值。
多自由度并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人及其人機(jī)交互控制 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書(shū)面向“健康中國(guó)”戰(zhàn)略，總結(jié)了研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在多自由度并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人及其人機(jī)交互控制方面的重要研究進(jìn)展和成果，充分闡述了多自由度康復(fù)機(jī)器人的背景、驅(qū)動(dòng)、構(gòu)型、控制系統(tǒng)和應(yīng)用技術(shù)，綜合探討了康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳感技術(shù)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)及康復(fù)機(jī)器人實(shí)例、下肢康復(fù)機(jī)器人的力反饋交互控制和肌電自主控制、基于生物信號(hào)的人機(jī)交互接口，以及氣動(dòng)腳踝康復(fù)機(jī)器人的柔順控制和腦機(jī)協(xié)作控制，*后討論了康復(fù)機(jī)器人在柔性外骨骼結(jié)構(gòu)、可穿戴傳感設(shè)備和以患者為中心的控制策略方面的發(fā)展趨勢(shì)。本書(shū)旨在為從事康復(fù)機(jī)器人科學(xué)和技術(shù)研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的科技工作者、老師和學(xué)生提供有益的參考，可作為高職高專機(jī)械電子信息及相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程的教材，也可供工程技術(shù)人員參考。
多自由度并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人及其人機(jī)交互控制 目錄
第1章康復(fù)機(jī)器人概述/1
1.1緒論/1
1.2多自由度康復(fù)機(jī)器人/3
1.2.1多自由度康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)/3
1.2.2氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的康復(fù)機(jī)器人/9
1.3康復(fù)機(jī)器人的控制/13
1.3.1機(jī)器人輔助康復(fù)訓(xùn)練模式/13
1.3.2康復(fù)機(jī)器人控制方法/16
1.4康復(fù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)分析/28
1.5本章小結(jié)/30
本章參考文獻(xiàn)/30
第2章康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳感技術(shù)/45
2.1康復(fù)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù)/45
2.1.1剛性驅(qū)動(dòng)器/45
2.1.2氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器/47
2.1.3新型柔性驅(qū)動(dòng)器/48
2.2康復(fù)機(jī)器人傳感技術(shù)/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(jié) /72
本章參考文獻(xiàn)/72
第3章并聯(lián)機(jī)構(gòu)及康復(fù)機(jī)器人實(shí)例/76
3.1多自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用/76
3.1.1多自由度并聯(lián)機(jī)器人/76
3.1.2并聯(lián)機(jī)構(gòu)在康復(fù)中的應(yīng)用/81
3.2六自由度并聯(lián)下肢康復(fù)機(jī)器人/83
3.2.1六自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)/84
3.2.2下肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型/84
3.2.3下肢康復(fù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型/89
3.2.4下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)集成/91
3.3二自由度并聯(lián)腳踝康復(fù)機(jī)器人/94
3.3.1二自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)/94
3.3.2腳踝康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型/97
3.3.3腳踝康復(fù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型/100
3.3.4腳踝康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)集成/103
3.4本章小結(jié)/106
本章參考文獻(xiàn)/107
第4章下肢康復(fù)機(jī)器人的力反饋交互控制/111
4.1下肢康復(fù)機(jī)器人力/位置混合控制/111
4.1.1力/位置混合控制原理及結(jié)構(gòu)/111
4.1.2力/位置混合控制仿真平臺(tái)/114
4.1.3基于力的機(jī)器人輔助康復(fù)訓(xùn)練策略/117
4.1.4機(jī)器人的力/位置混合控制實(shí)驗(yàn)/119
4.2基于阻抗模型的康復(fù)機(jī)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(fù)機(jī)器人自適應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析/133
4.3本章小結(jié)/139
本章參考文獻(xiàn)/140
第5章氣動(dòng)腳踝康復(fù)機(jī)器人的柔順控制/142
5.1氣動(dòng)肌肉的柔順性建模/142
5.1.1氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)與工作原理/142
5.1.2氣動(dòng)肌肉力位移氣壓模型/144
5.1.3氣動(dòng)肌肉的變剛度模型/145
5.2末端柔順的腳踝康復(fù)機(jī)器人導(dǎo)納控制/146
5.2.1任務(wù)空間導(dǎo)納控制原理及結(jié)構(gòu)/147
5.2.2腳踝關(guān)節(jié)主動(dòng)力矩模型/149
5.2.3機(jī)器人導(dǎo)納控制器實(shí)現(xiàn)/151
5.3柔性腳踝康復(fù)機(jī)器人層級(jí)柔順控制/155
5.3.1基于自適應(yīng)調(diào)節(jié)的層級(jí)柔順控制/155
5.3.2層級(jí)柔順實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析/157
5.4本章小結(jié)/163
本章參考文獻(xiàn)/164
第6章基于生物信號(hào)的人機(jī)交互接口/166
6.1基于肌電信號(hào)的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別/166
6.1.1肌電信號(hào)預(yù)處理與特征提取/166
6.1.2下肢多源特征參數(shù)分析/167
6.1.3基于多源信息的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別/176
6.2神經(jīng)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(shù)辨識(shí)及模型驗(yàn)證/186
6.2.3肌電驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂自主控制/193
6.3腦電信號(hào)及其識(shí)別/196
6.3.1P300/SSVEP信號(hào)及特征提取/197
6.3.2P300/SSVEP意圖信號(hào)的識(shí)別/200
6.3.3基于SSVEP/P300的腦機(jī)接口/201
6.4本章小結(jié)/207
本章參考文獻(xiàn)/207
第7章下肢康復(fù)機(jī)器人的肌電自主控制/213
7.1基于肌體狀態(tài)的下肢康復(fù)機(jī)器人變阻抗控制/213
7.1.1肌肉活動(dòng)狀態(tài)和肌力分析/213
7.1.2適應(yīng)肌體活動(dòng)的變阻抗控制/215
7.1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析/217
7.2動(dòng)作意圖主導(dǎo)的下肢康復(fù)機(jī)器人協(xié)作控制/224
7.2.1患者肌體疲勞狀態(tài)評(píng)估/224
7.2.2疲勞避免自適應(yīng)阻抗控制/231
7.2.3患者主導(dǎo)的人肌機(jī)協(xié)作控制/236
7.3本章小結(jié)/242
本章參考文獻(xiàn)/243
第8章腳踝康復(fù)機(jī)器人的腦機(jī)協(xié)作控制/245
8.1基于運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)的意圖識(shí)別/245
8.1.1運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)預(yù)處理/245
8.1.2基于腦網(wǎng)絡(luò)的通道選擇/248
8.1.3基于多域特征融合的運(yùn)動(dòng)想象分類(lèi)/250
8.2基于運(yùn)動(dòng)想象的腳踝機(jī)器人協(xié)作控制/255
8.2.1基于運(yùn)動(dòng)想象的腦控機(jī)器人系統(tǒng)/255
8.2.2腳踝康復(fù)機(jī)器人的腦機(jī)協(xié)作控制/258
8.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析/260
8.3本章小結(jié)/265
本章參考文獻(xiàn)/265
第9章總結(jié)/268
9.1全書(shū)工作總結(jié)/268
9.2未來(lái)研究展望/270
本章參考文獻(xiàn)/272
展開(kāi)全部
多自由度并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人及其人機(jī)交互控制 節(jié)選
?四軸并聯(lián)機(jī)器人平臺(tái)1. 基于運(yùn)動(dòng)平板/跑步機(jī)的外骨骼式機(jī)器人基于運(yùn)動(dòng)平板/跑步機(jī)的外骨骼式機(jī)器人通常包括一個(gè)身體減重支撐系統(tǒng)，穿戴于患者下肢，在患者于跑步機(jī)上進(jìn)行行走訓(xùn)練時(shí)提供輔助。瑞士蘇黎世Hocoma公司的Lokomat機(jī)器人如圖11（a）所示，是一種典型的基于跑步機(jī)和減重支撐系統(tǒng)的下肢康復(fù)機(jī)器人。患者下肢固定于機(jī)器人的外骨骼框架之內(nèi)，通過(guò)控制機(jī)器人向患者髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)提供輔助力\[39\]。德國(guó)Lokohelp小組開(kāi)發(fā)了一種與Lokomat結(jié)構(gòu)相類(lèi)似的下肢康復(fù)機(jī)器人\[27\]，不同之處在于此機(jī)器人將跑步機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞給運(yùn)動(dòng)平板，通過(guò)對(duì)平板的跟蹤控制來(lái)模擬步態(tài)運(yùn)動(dòng)\[40\]。近年來(lái)，荷蘭特溫特大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種新的步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人LOPES\[23\]，如圖11（b）所示。LOPES外骨骼式機(jī)器人包括三個(gè)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及在髖關(guān)節(jié)處的平移和自由組件，在輔助患者進(jìn)行跑步機(jī)訓(xùn)練時(shí)可與其下肢保持并行。美國(guó)特拉華大學(xué)設(shè)計(jì)了一種外骨骼式機(jī)器人ALEX\[28\]，在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)通過(guò)線性驅(qū)動(dòng)器為下肢提供輔助動(dòng)力\[41\]。雖然基于減重支撐系統(tǒng)和跑步機(jī)的外骨骼機(jī)器人能夠?yàn)榛颊咛峁┹^好的訓(xùn)練，但此類(lèi)機(jī)器人設(shè)備笨重、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜，完成一位患者的訓(xùn)練通常需要兩位以上的操作者，進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練的成本較大。此外，減重支撐系統(tǒng)的使用可能會(huì)在某種程度上限制患者的運(yùn)動(dòng)自由。圖11典型的基于跑步機(jī)的外骨骼式康復(fù)機(jī)器人2. 下肢矯形器類(lèi)外骨骼式機(jī)器人下肢矯形器是一種穿戴于患者下肢的外骨骼式機(jī)器人，在患者行走過(guò)程中提供輔助動(dòng)力。美國(guó)麻省理工學(xué)院的Blaya和Herr開(kāi)發(fā)了一種主動(dòng)踝足關(guān)節(jié)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(tài)康復(fù)訓(xùn)練的重要設(shè)備。美國(guó)密歇根大學(xué)的Sawicki和Ferris采用氣動(dòng)肌肉作為外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)單元，開(kāi)發(fā)了一種膝踝足關(guān)節(jié)矯形器機(jī)器人（kneeanklefoot orthosis，KAFO），如圖12（b）所示\[30\]。氣動(dòng)肌肉具有輸出力與自重之比大和內(nèi)在柔順安全等優(yōu)點(diǎn)，使機(jī)器人可在患者行走過(guò)程中提供屈/伸力矩以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。德國(guó)的Fleischer等人也開(kāi)發(fā)了一種下肢矯形器\[44\]，其通過(guò)解析肌電信號(hào)獲得患者運(yùn)動(dòng)意圖。混合輔助機(jī)器人（hybrid assistive limb，HAL）是由日本筑波大學(xué)和Cyberdyne公司開(kāi)發(fā)的一種全身可穿戴式機(jī)器人，可用于康復(fù)訓(xùn)練以及負(fù)重輔助等\[31\]。伯克利下肢外骨骼（Berkley lower extremity exoskeleton，BLEEX）是由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的一種提高用戶行走能力和力量的外骨骼式機(jī)器人\[32\]，該機(jī)器人具有7個(gè)自由度，其中4個(gè)由液壓執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。雖然矯形器類(lèi)外骨骼式機(jī)器人能夠?yàn)榛颊叩牟綉B(tài)屈伸運(yùn)動(dòng)提供輔助動(dòng)力，但外骨骼式機(jī)器人存在造價(jià)高、能量需求大、難以適用于不同患者的缺點(diǎn)。另外，在人機(jī)交互時(shí)外骨骼式機(jī)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(lèi)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用。圖12典型的下肢矯形器類(lèi)外骨骼式機(jī)器人3. 基于踏板的端部式機(jī)器人對(duì)于此類(lèi)下肢康復(fù)機(jī)器人，患者腳部將固定于機(jī)器人踏板之上，通過(guò)控制踏板帶動(dòng)下肢運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬不同的步態(tài)階段。德國(guó)RehaStim公司的步態(tài)訓(xùn)練器Gait Trainer GTI\[33\]如圖13（a）所示，是一個(gè)伺服控制的步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人，用于幫助患者恢復(fù)其肢體運(yùn)動(dòng)能力\[46\]。Hesse等人設(shè)計(jì)了名為Haptic Walker的下肢康復(fù)機(jī)器人，如圖13（b）所示，該機(jī)器人包括兩個(gè)機(jī)械平臺(tái)，可驅(qū)動(dòng)患者肢體實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng)\[26\]。Haptic Walker可視為GTI機(jī)器人的重新設(shè)計(jì)和演化，可實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)模式和可調(diào)節(jié)步行速度的模擬仿真。瑞士Reha Technology AG公司的GEOSystems機(jī)器人被用于模擬行走和上下臺(tái)階的運(yùn)動(dòng)\[34\]，該機(jī)器人由兩個(gè)踏板組成，可在水平和垂直方向上編程實(shí)現(xiàn)行走與攀爬訓(xùn)練。GEOSystems與Haptic Walker機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)用目標(biāo)類(lèi)似，不過(guò)其尺寸規(guī)格更小\[47\]。然而，這些機(jī)器人設(shè)備很少能夠模擬在不同地形的行走狀態(tài)。Yoon等\[48\]提出了一種六自由度步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人，其腳部末端設(shè)計(jì)為由兩個(gè)直線執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，允許患者實(shí)現(xiàn)在不同地形的訓(xùn)練，如步行、爬樓梯或斜坡等。由于外骨骼式機(jī)器人能夠在患者站立階段提供支撐，與之相比，此類(lèi)端部式機(jī)器人的缺點(diǎn)在于其訓(xùn)練過(guò)程需要額外的人工幫助。圖13典型的基于踏板的端部式機(jī)器人4. 基于平臺(tái)的端部式機(jī)器人基于平臺(tái)的端部式機(jī)器人使患者在訓(xùn)練過(guò)程中保持不動(dòng)，僅將其下肢（如腳部）固定于動(dòng)平臺(tái)之上，通過(guò)控制動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)肢體訓(xùn)練。由于并聯(lián)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)明確、控制簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，多自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)在下肢康復(fù)機(jī)器人中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。意大利理工學(xué)院提出了一種用于腳踝康復(fù)的并聯(lián)機(jī)器人\[35\]，利用定制化的直線驅(qū)動(dòng)器來(lái)執(zhí)行所需要的訓(xùn)練。此設(shè)備僅能實(shí)現(xiàn)背屈/跖屈、內(nèi)翻/外翻兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。新西蘭奧克蘭大學(xué)的Xie等人開(kāi)發(fā)了面向腳踝三自由度運(yùn)動(dòng)的并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人\[37\]，首先提出了一種由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四軸機(jī)器人，然后設(shè)計(jì)了一種由氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的可穿戴式四軸冗余并聯(lián)機(jī)器人\[38\]，如圖14（a）所示。Rutgers Ankle是一種典型的基于Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)的腳踝康復(fù)機(jī)器人\[25\]，通過(guò)協(xié)同控制其六根直線電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)的自由運(yùn)動(dòng)，如圖14（b）所示。在本章參考文獻(xiàn)\[49\]中，該系統(tǒng)又進(jìn)一步擴(kuò)展為基于雙Stewart平臺(tái)配置的步態(tài)模擬與康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。圖14典型的基于平臺(tái)的端部式康復(fù)機(jī)器人通過(guò)上述分析比較可知，外骨骼式機(jī)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(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，這也導(dǎo)致了其對(duì)不同患者的適應(yīng)能力較差。另外，外骨骼式機(jī)器人一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高\(yùn)[50\]。與之相比，端部式機(jī)器人通常僅與患肢某一部位接觸，不會(huì)對(duì)患者肢體的其他運(yùn)動(dòng)自由產(chǎn)生限制，更適合不同的患者使用\[51\]。同時(shí)，端部式機(jī)器人結(jié)構(gòu)明確，控制簡(jiǎn)單，成本較低。本章參考文獻(xiàn)\[52\]也指出，通過(guò)端部式機(jī)器人和外骨骼式機(jī)器人的比較研究發(fā)現(xiàn)，端部式機(jī)器人在患者的康復(fù)訓(xùn)練中效果更好。
多自由度并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人及其人機(jī)交互控制 作者簡(jiǎn)介
1985年畢業(yè)于華中工學(xué)院無(wú)線電系，一直在高校從事教學(xué)與科研工作。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理、故障診斷、信號(hào)檢測(cè)理論及應(yīng)用。近5年來(lái)，主持國(guó)家自然科學(xué)基金(重大)子項(xiàng)1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)、國(guó)家973項(xiàng)目（軍口）子項(xiàng)1項(xiàng)等國(guó)家和省部級(jí)項(xiàng)目20余項(xiàng)。獲國(guó)家優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、湖北省優(yōu)秀教學(xué)成果一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、省部級(jí)科技獎(jiǎng)5項(xiàng)。發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文40余篇，獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)。現(xiàn)為通信工程國(guó)家教學(xué)團(tuán)隊(duì)和國(guó)家特色專業(yè)負(fù)責(zé)人、湖北省名師工作室負(fù)責(zé)人、“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”國(guó)家精品課和國(guó)家資源共享課的負(fù)責(zé)人，以及“現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)在生活中的應(yīng)用”國(guó)家視頻公開(kāi)課負(fù)責(zé)人；主編著作（教材）9本，其中2本為國(guó)家“十一五”規(guī)劃教材。
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