面向步态和平衡康复训练的主动减重技术

面向下肢康复的主动减重技术

针对中度和轻度下肢运动障碍患者,减重步行训练可激励其自主行走,提高主动参与程度,改善其步态和平衡控制能力。减重技术可以消除患者部分负担,实现患者的自主训练。
现有的减重技术多存在运动空间小、减重力变化较大、会对患者产生前后和侧向拉力等问题。为此,我们设计了一种单绳悬吊、电机驱动的主动减重系统。在水平方向采用桥式吊架结构,通过伺服控制使吊绳保持竖直,避免对患者产生前后和侧向的拉力。在竖直方向采用绳牵引串联弹性驱动方法,设计非线性控制器,严格控制吊绳拉力。

系统设计与基于串联弹性结构的绳索驱动技术

主动减重系统主要由架空移动单元和竖直拉力单元组成。竖直拉力单元跟随患者竖直方向的运动并提供重力支撑,抵消患者的部分或全部重力。架空移动单元使竖直拉力单元跟随患者水平方向的运动,从而使吊绳的拉力始终竖直向上。
pic_AGOS对于竖直拉力单元,需要在控制吊绳跟随患者竖直方向运动的同时保持吊绳拉力为给定值,是力与位置的复合控制。采用基于串联弹性结构的绳索驱动技术,可将力与位置的复合控制转化为弹性元件的位置控制,实现精确稳定的力输出控制。同时,弹性元件的使用使得安全性更好,适合主动减重系统的应用。

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系统模型与分析

控制器 根据吊绳偏角误差控制架空移动单元伺服移动,使吊绳偏角为零。控制器 根据吊绳拉力误差控制电缸推动动板,使吊绳拉力维持在给定值。控制器根据动板位置误差控制卷绳电机卷、放绳,将动板位置维持在安全的范围之内。

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吊绳拉力控制和动板位置控制之间存在耦合,同时吊绳偏角将吊绳拉力控制和吊绳偏角控制耦合在一起。分析各个控制自由度之间的耦合关系,设计优良的非线性耦合控制器是一个重要的研究点。

论文

  1. 于宁波*, 杨卓, 孙玉波, 邹武林, 王喆. “一种面向步态和平衡康复训练的单绳悬吊主动减重系统设计与控制方法研究”, 自动化学报, 2016, 42(12): 1819-1831
  2. Zhuo Yang, Yubo Sun, Yuqi Lei, Zhe Wang, Ningbo Yu*. “Realization and Experimental Test of A Body Weight Support Unit for Simultaneous Position Tracking and Gravity Offloading”, IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), 2016.
  3. Zhuo Yang,Yubo Sun,Yue Hao,Ningbo Yu*.Active Mass-Offloading with Cable-Driven SEA for Tailored Support to Lower Limb Rehabilitation.The 2016 IEEE International Conference on Advanced Robotics and Mechatronics(ARM).2016.
  4. 于宁波*, 杨卓, 邹武林, “一种面向航天员空间微低重力环境地面模拟训练的主动减重技术”, 第34届中国控制会议 (CCC),2015.