1．目的及意义

1.1 研究目的及意义

截至2016年底，全国60岁及以上老年人口23086万人，占总人口的16.7%，这表明我国已经逐步进入老年化社会。老年人在年龄增长过程中，生理机能会出现显著衰退，肢体灵活性也会不断下降，这给他们的日常生活带来了诸多不便。此外，由于各种疾病和交通意外等造成的关节和肌肉损伤的病人正在日益增加，他们的术后恢复慢、恢复效果不佳，这也是困扰着普通百姓以及运动员生活的严峻问题。医学理论证明，对于肢体损伤患者，在进行前期的手术与药物治疗之后，进行适量的、科学的术后康复训练能够有效地提高肢体运动机能的恢复效果。但专业护理人员相对缺乏，一个护理人员通常要对多个病人进行康复训练，因此花在一个病人身上的时间往往很有限。然而，康复训练往往需要很长的时间，训练时间的不足给病人的康复带来了困难。护理人员也容易对一种反复的康复训练动作感到疲倦。采用机器人来辅助病人康复则可有效解决以上问题。康复机器人的运动轨迹可以根据需要来设定，可以长时间精确地重复同一种动作。另外，康复机器人可以记录病人的肢体运动参数，利用这些参数可以改进康复过程和辅助医生制定下一步的康复策略。采用机器人辅助康复还可让医生实现远程控制康复机器人，让病人在家里就能接受康复训练。

气动肌肉是一种与人类肌肉输出特性类似的柔性气动驱动器件，它具有质轻、输出功率/自重比大、安全性好、清洁、价格低等优点，其输出力随着收缩位移的增大而减少。由于上述优越的特性，在康复医疗工程领域的相关应用中，气动肌肉具有很好的优势。

很多学者研究了气动肌肉在康复器械上的应用。但气动肌肉由于其端部椭圆的几何结构、柔性橡胶材质以及气压传动系统的非线性特点，整个气动肌肉控制系统具有很强的非线性，且具有参数时变性，这给控制带来了挑战。

并联机器人具有承载能力强、累计误差小等优点。因此，本文结合气动肌肉的柔性特性和并联平台的机构优势，建立合适的气动肌肉模型，找到适合气动肌肉的位置控制策略，使机器人能达到脚踝康复训练的要求。机器人通过反复的运动使患者的肢体神经和肌肉得到恢复和强化，可以承担起专业护理人员的职责。本课题的研究具有控制和机构学方面的理论价值和实际的应用价值。

1.2 国内外研究现状

气动肌肉是一种新型的气动驱动器，由内部橡胶管和包裹在其外面的几乎不可伸长的菱形编织网组成，两端有封装和固定装置。内部橡胶管在气体压力的作用下膨胀，结果使气动肌肉直径增加、长度减小，而外部编织网限制气动肌肉不可能无限制缩短，如果其端部受外部拉力，气动肌肉就能对外界产生拉力。气动肌肉因其运动方式和物理特性与生物肌肉相似，并且具有内在柔顺性强、输出力-自重比大、结构简单轻便、适于穿戴等特点，成为机器人领域的新型驱动技术。

由于气动肌肉的一系列优点，它在康复领域的应用十分广泛。美国密歇根大学的D. P. Ferris等设计了一个气动肌肉驱动的踝足矫形器用于辅助病人步态康复，控制器采用一种新奇的比例肌电控制，让病人首次穿戴就能快速适应。日本大阪大学开发了一个气动肌肉驱动的五指关节机器人，控制器的设计利用了生物学的启发，采用拮抗肌肉比与拮抗肌肉活动性两个参数进行控制。美国亚利桑那大学设计了一个可穿戴式的上肢外骨骼康复机器人，机器人采用气动肌肉驱动，在肩部、肘部、手腕处共有四个可驱动的自由度，可辅助病人进行日常生活常用的一些动作。T.-J. Yeh等设计了一个气动肌肉驱动的下肢辅助机构用来帮助老年人或运动损伤患者行走与爬楼梯，为了克服气动肌肉的迟滞现象，建立了一个迟滞模型并使用它设计了一个反向控制用于前馈补偿，实验结果证明了该辅助机构在帮助病人行走方面确实有帮助。P. R. Culmer等研究了六自由度气动上肢康复机器人的阻抗控制策略，通过数值仿真进行测试，结果证明该控制策略能够可靠地协调机器人辅助上肢运动。

新西兰奥克兰大学在这方面做了较多的研究，S.Q. Xie和P.K. Jamwal设计了一个新型的可穿戴式脚踝康复机器人，机器人由四根气动肌肉进行驱动，采用并联结构，具有三个自由度，存在一个冗余驱动。采用模糊前馈技术对气动肌肉的状态进行预测，主模糊控制器参数通过遗传算法进行了优化，提出的控制方法在轨迹跟踪精度方面优于普通的模糊控制器。基于该机器人，他们还提出一种自适应模糊逻辑控制器，控制器加入了气动肌肉的模糊模型补偿，取得了更为优越的轨迹跟踪效果，能很好的适应脚踝康复应用的需求。Shahid Hussain等设计了一个固有的柔性步态训练矫正器以及一个轨迹跟踪控制器，矫正器具有六个自由度，但只对矢状平面的髋关节与膝关节运动进行主动控制，轨迹跟踪控制器基于无扰动的鲁棒变结构控制理论，用于在关节空间指导病人的生理步态轨迹。矫正器通过两种步态训练模型进行评估，即最大适应性模式与最小适应性模式。实验评估结果显示该矫正器能够在两种步态训练模式下提供步态训练任务。随着机器人柔顺性的增加，所有受试者偏离了参考关节角度轨迹，从而让受试者更自由地去驱动该机械矫正器。他们还提出了一个基于自适应阻抗控制的按需辅助训练方法。根据残疾的级别以及资源参与的受试者，提出的自适应阻抗控制方法能够根据病情状态和患者自愿运动的水平来调节机器人的辅助力大小。作者通过十个正常受试者进行实验，结果表明，受试者自愿参与的程度越高，机器人的辅助力随之减少。

在国内，哈尔滨工程大学设计了一个气动肌肉驱动的步态康复训练外骨骼机器人，分析了其驱动模型，并通过实验验证了康复训练的有效性与安全性。华中科技大学采用模糊控制技术对气动肌肉驱动的康复机器人进行控制，实验验证了控制算法的有效性。广东工业大学设计了一个气动肌肉驱动的踝关节康复训练装置，采用的速度控制器带给定超前和位置补偿，可辅助病人踝关节进行等速持续被动运动。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2.1 研究的基本内容