1．目的及意义

1.1 研究目的及意义

我国第六次人口普查结果显示，年龄超过 60 岁的人口已经达到 1.78 亿，约占全国人口总数的 13.3%，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。

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医疗领域的应用，提出了多种以气动肌肉作为驱动器的康复医疗机器人。

采用机器人来辅助病人进行康复训练，不仅可以减轻康复医师的负担，而且可以制定科学合理的康复训练任务，让机器人带动患者进行运动，加快患者肢体运动能力的恢复。机器人还能够记录康复训练过程中肢体的各项参数，作为康复医生评估康复效果的依据。

1.2 国内外研究现状

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。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。

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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相对于刚性驱动器，柔性气动肌肉驱动器具有柔顺性好、质量轻、输出力/质量比高、刚度可调等优点，将其应用到康复机器人具有众多的优势。本课题拟首先对气动肌肉模型进行研究，在介绍气动肌肉基本结构、工作原理与工作特性的基础之上，利用能量守恒原理获得了气动肌肉的理想模型。由于气动肌肉理想模型与实际存在较大偏差，结合实验方法，利用迟滞模型建立气动肌肉的三元素模型。同时，介绍了脚踝康复机器人实验平台的工作原理、硬件组成，开发了机器人的上位机软件控制系统，分析了机器人的运动学原理，为后续的机器人控制做铺垫。然后研究其驱动的二自由度脚踝康复机器人，建立该机器人的逆向运动学模型。由于气动肌肉的非线性、参数时变以及机器人本身的多输入多输出耦合因素，脚踝康复机器人的控制十分复杂，传统的控制方法很难达到精度要求。本文提出了模型补偿模糊自调节控制器用于机器人的位置控制，最后基于气动肌肉三元素模型设计该机器人的位置控制算法（滑模控制算法等），实现该二自由度脚踝康复机器人的高精度位置控制。

利用开发软件Labview、控制器USB7660BD和数据采集卡USB6210实现气动肌肉的建模及其驱动的脚踝康复机器人的实时控制。气动肌肉驱动脚踝康复机器人系统工作原理如图所示。

3. 参考文献