论文总字数：22470字

摘 要

随着社会老年化程度的不断加深，中国老年人患脑卒中的人数在节节攀升。据2019年人口普查与相关医学报告，中国中风病人数量占据世界第一，是美国的1.4倍，并且呈上升趋势，随着国家医疗保障系统的发展，政府大力扶植发展康复医疗机器人。康复上肢机器人的研究对于老年人患病后的康复与提高生活质量有着重要的意义。随着医疗水平与科技的进步，康复上肢引入到脑卒中患者的辅助训练治疗，可大大帮助上肢偏瘫的患者恢复肢体功能，从而得到好转乃至于康复。

本论文采用气动人工肌肉搭建仿人手臂系统，阐述了康复上肢的设计思想与硬件电路，提出了仿人手臂的运动学与动力学方程，建立了自适应阻抗控制模型，通过MATLAB软件对不同控制算法进行仿真对比分析，基于LabView软件对系统的自适应阻抗控制算法进行实物验证，从而达到被动康复上肢的稳定性与安全性的要求。

关键词：康复上肢 阻抗控制

The study on adaptive impedance control for passive rehabilitation of Upper Limb

Abstract

With the deepening of social aging, the number of stroke patients in the elderly in China is increasing. According to the 2019 census and related medical reports, the number of stroke patients in China accounts for the first in the world, which is American one point four times. With the development of the national medical security system, the government vigorously supports the development of rehabilitation medical robots. The research on the rehabilitation upper limb robot is of great significance to the rehabilitation and improvement of the quality of life of the elderly. stroke-induced Hemiplegia of the upper limb in the elderly can be helped by rehabilitation of the upper limb, thus getting better and even rehabilitation.

In this paper, we use the pneumatic artificial muscles to build a human arm system, describing the design idea and hardware circuit of the rehabilitation upper limb. The kinematics and dynamics equations of humanoid arm are put forward, the adaptive impedance control model is established, and different control algorithms are simulated and analyzed by MATLAB software. Based on LabView software, the adaptive impedance control is designed and verified by numerical simulations and real experiments. Results show that the proposed control can meet the requirements of stability and safety of passive upper limb rehabilitation.

Key Words: Rehabilitation of upper limb; impedance control

目　　录

摘　要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1 被动康复上肢的发展概况 2

1.2.2 被动康复上肢控制方法的研究现状 4

1.3本文研究内容与结构安排 5

第二章　气动仿人手臂的模型 7

2.1仿人手臂的物理结构 7

2.1.1 人体手臂生理结构与运动机理 7

2.1.2 仿人手臂系统结构设计 8

2.1.3 仿人手臂系统硬件及电路设计 8

2.2仿人手臂运动学分析 10

2.3仿人手臂动力学分析 11

2.3.1 仿人手臂动力学模型 11

2.3.2 仿人手臂受力分析 13

2.4 本章小结 15

第三章 自适应阻抗控制以及仿真 16

3.1 阻抗控制的概念 16

3.2 阻抗模型的建立与模糊控制器的设计 18

3.2.1 阻抗模型的建立 18

3.2.2 模糊控制器的设计 18

3.2.3 稳定性分析 19

3.3仿真结果与分析 20

3.3.1 实验平台与参数设置 20

3.3.2 仿真结果分析 21

3.4本章小结 25

第四章 实验平台的搭建与结果分析 26

4.1实物连接与工作流程 26

4.2 LabView程序 27

4.3实验效果与分析 28

4.4 本章小结 30

第五章 总结与展望 31

5.1总结 31

5.2展望 31

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

近年来，在中国经济高速发展的同时，日益严重的老龄化问题也越来越值得我们认真去对待[1]。物质生活提高的同时，心脑血管疾病也在不断上升，最新研究数字表明：每年约1500万人被心脑血管疾病夺走了生命。在心脑血管疾病中，中风以其发生的急与造成的后果严重，危害着老年人的身体健康与生活质量。一旦老年人患上中风，不仅得面对肢体残疾，众多并发症的困扰，更严重的可以引起死亡。在众多老年疾病中，中风无时无刻不威胁着老年人的健康，生活幸福感大大下降。据研究材料表明，绝大部分脑中风患者会遗留轻重不一的残疾，肢体所带来的残疾无论是对于老年人的身心健康，还是家庭与社会都带来了巨大的精神与心理负担。中风导致的偏瘫，也严重降低了人们进行日常生活活动的能力。由于医疗资源的不足，当今社会迫切需要引入康复机器人帮助患者进行辅助训练运动，脑中风后遗症的治疗对于人类老年生活幸福感的提升与和谐社会的发展具有积极的推动作用[2]。

如今，对于脑中风患者的康复治疗方式还是以推拿，针灸，物理治疗如采用电疗等为主，帮助患者恢复神经系统功能，缓解肢体疼痛、肿胀等并发症。被动康复上肢的设计与应用为脑中风患者治疗带来了新的治疗辅助方式，帮助患者在康复过程中上肢功能的恢复，进而改善患者的生活质量，也促进了我国医疗水平的发展[3]。自适应阻抗控制研究作为被动上肢康复的重要组成部分具有很高的研究价值，保证了康复上肢的安全性与可靠性。由于社会老龄化程度加重，劳动力成本的提高与对康复医师水平的要求，将机器人技术引入脑卒中患者康复治疗中，对于患者乃至整个社会都是大有裨益的。

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