基于外骨骼機(jī)器人技術(shù)的人體手臂震顫抑制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、震顫是人體某個(gè)或多個(gè)功能區(qū)肌肉的有節(jié)律性、近似正弦往返擺動(dòng)的肢體運(yùn)動(dòng)，是關(guān)節(jié)周圍肌肉收縮和松弛的動(dòng)力狀態(tài)。作為最為普遍的運(yùn)動(dòng)障礙之一，震顫常見于人的肢體特別是手臂，影響精細(xì)動(dòng)作、書寫和餐飲，嚴(yán)重時(shí)可對(duì)病人的日常生活、工作、社會(huì)交往等帶來(lái)諸多不便。盡管人類對(duì)于震顫發(fā)生機(jī)理及其藥物治療等方面的研究已經(jīng)進(jìn)行幾十年，但其研究還處于初期的探索階段，多數(shù)類型的震顫運(yùn)動(dòng)的機(jī)理和起源至今尚未明確。目前的研究水平下，“對(duì)癥下藥”的藥物治療方法顯得“力不從

2、心”，在較短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出抑制患者震顫的普適性藥物較為困難，而震顫帶給患者諸如精細(xì)動(dòng)作、書寫和餐飲等日常生活的不便問(wèn)題短期內(nèi)很難得到解決。因此，本文試圖通過(guò)新的途徑（非藥物治療方面）對(duì)震顫及其抑制開展研究，利用機(jī)器人技術(shù)解決震顫患者的生活不便等問(wèn)題。本文從震顫運(yùn)動(dòng)發(fā)生的“表象”--震顫信號(hào)出發(fā)，綜合利用機(jī)器人技術(shù)，提出一種基于生物力加載技術(shù)的震顫補(bǔ)償與抑制的控制策略；設(shè)計(jì)一款可以穿套在患者前臂的可穿戴型震顫抑制機(jī)器人裝置。本文并不是試圖研

3、究震顫運(yùn)動(dòng)發(fā)生的本質(zhì)，而是以抑制震顫運(yùn)動(dòng)為目標(biāo)，重點(diǎn)研究震顫運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)、震顫信號(hào)處理與評(píng)估、震顫抑制策略與安全性評(píng)估等方面，旨在為提高手臂震顫患者的生活質(zhì)量提供一種新途徑。全文的主要研究工作概括如下：
　　 “非藥物”抑制人體手臂震顫的理論和方法綜述。全面回顧了國(guó)內(nèi)外手臂震顫抑制的研究現(xiàn)狀。詳細(xì)闡述“非藥物”抑制人體手臂震顫的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)框架：對(duì)震顫信號(hào)的檢測(cè)方法、震顫信號(hào)的分析與處理方法、震顫信號(hào)的工程建模以及震顫信號(hào)的生

4、物力加載抑制方法等四個(gè)方面做了較為詳細(xì)的介紹和討論，為后續(xù)章節(jié)的論述提供了理論指導(dǎo)和依據(jù)。
　　 震顫信號(hào)的檢測(cè)、分析與處理方法研究。設(shè)計(jì)用于采集和處理震顫信號(hào)的可穿戴型手臂檢測(cè)裝置，包括固定在肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的慣性傳感器系統(tǒng)、加速度傳感器和表面肌肉電信號(hào)系統(tǒng)。針對(duì)震顫信號(hào)的非平穩(wěn)性特征，提出一種基于希爾伯特一黃變換方法的手臂震顫信號(hào)分析與處理方法，獲取震顫信號(hào)的幅值和頻率的時(shí)變信息。闡述HHT方法的提出背景、理論以及計(jì)算原理，重

5、點(diǎn)研究手臂震顫信號(hào)的EMD分解和Hilbert譜的構(gòu)建過(guò)程。研究手臂震顫信號(hào)的HHT識(shí)別方法和步驟。探討HHT方法的自身局限性：端點(diǎn)飛翼問(wèn)題、模態(tài)混淆以及實(shí)時(shí)性問(wèn)題。
　　 針對(duì)利用機(jī)器人技術(shù)抑制人體手臂震顫的性能需求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一款三自由度全驅(qū)動(dòng)的可穿戴型手臂震顫抑制機(jī)器人。通過(guò)研究人體手臂的生理學(xué)特征，構(gòu)建實(shí)用的三自由度人體手臂生物力學(xué)模型，探討利用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行手臂震顫抑制等方面的可行性。研究該機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與模型

6、，詳細(xì)闡述可穿戴型外骨骼系統(tǒng)和震顫運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析。最后，利用Adams虛擬樣機(jī)技術(shù)分別對(duì)該機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模與仿真。
　　 提出兩種震顫抑制控制策略：基于阻抗控制的“被動(dòng)”震顫抑制控制策略和基于震顫補(bǔ)償?shù)摹爸鲃?dòng)”震顫抑制控制策略。研究人體手臂與可穿戴型外骨骼機(jī)器人之間的交互作用問(wèn)題，并構(gòu)建基于阻抗特性的人-機(jī)交互模型。探討基于機(jī)器人技術(shù)的人體手臂震顫抑制的數(shù)學(xué)模型和機(jī)理分析，構(gòu)建手臂震顫抑制的動(dòng)力學(xué)模型。

7、在此基礎(chǔ)上，提出以上兩種基于生物力加載技術(shù)的震顫抑制控制策略，并詳細(xì)闡述這兩種震顫抑制策略的控制原理和設(shè)計(jì)過(guò)程。最后，就有關(guān)于震顫抑制策略的評(píng)定問(wèn)題展開討論，并把震顫抑制前后的信號(hào)能量比作為震顫抑制策略的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。
　　 最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可穿戴型手臂震顫抑制機(jī)器人在抑制人體手臂震顫方面的有效性。重點(diǎn)闡述如下實(shí)驗(yàn)：基于Hilbert-Huang變換的手臂震顫信號(hào)處理，基于肌肉電信號(hào)的腕關(guān)節(jié)跟隨運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)和手臂震顫抑制實(shí)驗(yàn)分析與處理

8、。設(shè)計(jì)可以模擬人體手臂震顫運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人裝置，用來(lái)模擬頻率在0-20Hz的兩自由度震顫運(yùn)動(dòng)，有效的解決由于安全和技術(shù)原因無(wú)法多次在真實(shí)的震顫患者身上驗(yàn)證震顫策略的問(wèn)題。詳細(xì)闡述利用可穿戴型手臂震顫抑制裝置對(duì)手臂震顫進(jìn)行抑制的實(shí)驗(yàn)程序、人員、過(guò)程、條件和方法，并對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人可以抑制頻率在0-20Hz的震顫運(yùn)動(dòng)。另外，震顫抑制前后的功率譜對(duì)比圖顯示，基于生物力加載技術(shù)的震顫抑制策略對(duì)于人體手臂震顫的抑制是有一定效