绳索牵引骨盆运动控制康复机器人研究

论文摘要

康复训练机器人作为新兴特种机器人近年来得到了快速发展,其能够帮助具有功能障碍的患者和老年人进行康复训练,使关节和肌肉功能得到更为有效的恢复,从而进一步提高他们的生活质量；其也作为国家中长期科学和技术发展规划纲要的主要发展内容。本文以下肢康复训练机器人的骨盆运动控制为对象,研究绳索牵引骨盆运动控制机器人的关键技术。通过绳索牵引骨盆运动控制,用以满足躯干与下肢步态的协调运动,同时提供一定的辅助力,这样不但能对受训者进行减重训练,而且还能锻炼受训者的自身平衡能力,从而达到更好的训练效果。主要研究内容包括绳索牵引骨盆运动控制机器人的绳索布置方案、1R2T机器人运动学及欠约束控制特性分析、1R2T机器人动力学分析、机器人运动规划研究等,并研制了1R2T绳索牵引机器人实验样机,基于dSPACE半物理仿真系统对绳索牵引机器人的驱动控制特性和动力学性能进行了实验研究。在总结国内外下肢康复机器人以及骨盆运动控制机构概况的基础上,提出了一种绳索牵引骨盆运动控制机器人,用以满足下肢步态康复训练需要；分析了绳索牵引并联机器人的特点,并探讨绳索牵引机器人的应用领域及发展趋势。根据正常人步态中的下肢支撑状态,将下肢简化成等效的结构形式,分析了骨盆的自由度输出类型,确定步态康复过程中骨盆的运动空间。依据骨盆运动控制的需要,基于绳索牵引机器人的可控性,分析了存在能够满足该功能的绳索牵引机器人的结构形式,选取了一种欠约束绳索牵引机器人。对水平面内不同绳索牵引机器人布置形式的工作空间大小、质量进行了研究和仿真分析,最终确定了等效的机器人绳索布置方案。针对水平面内所确定的机器人绳索布置方案,利用三角形方法对其的位置进行了正逆分析,通过影响系数法建立了机器人的运动学方程,得到绳索运行速度、加速度与骨盆运行速度、加速度之间的映射关系。建立了机器人静力学力螺旋平衡方程,通过广义逆求得绳索拉力解空间,包括最小范数解和零空间解。研究了欠约束绳索牵引机器人实际控制过程中对骨盆运动控制的影响情况,并进行了误差分析。利用牛顿欧拉法建立了骨盆在水平面内的动力学方程,基于达朗伯原理,建立了骨盆运动与绳索拉力之间的力学方程；又分析了绳索本身弹性对机器人动力学特性的影响,建立了绳索驱动单元的平衡方程。由于绳索牵引系统与刚性系统不同的特点之一就是其刚度相对较小,在此研究了绳索刚度和绳索零空间拉力对骨盆静态刚度的影响以及在外力作用下绳索刚度所引起骨盆的振动情况,并进行了仿真分析。根据骨盆在步态过程中的期望运动状态,利用MATLAB建立了机器人运动学模型,并利用ADAMS所建立的机构模型对数学模型进行了验证,同时完成了运动学运动规划分析；建立了未考虑绳索刚度时机器人的逆动力学模型,进行了逆动力学运动规划研究,判断绳索最小拉力阈值对绳索拉力大小影响的规律。建立了考虑绳索刚度的绳索牵引机器人机构模型,分析了绳索刚度、绳索拉力对动力学运动规划的影响。依据水平面内骨盆运动控制需要,研制了绳索牵引机器人实验样机,介绍了实验系统的各部分构成及其功能。基于dSPACE半物理仿真系统对绳索牵引机器人进行了实验研究,主要包括机器人的驱动控制特性实验和轨迹跟踪实验等。通过对实验结果进行分析,表明机器人的控制性能和精度满足下肢步态康复训练时对骨盆运动控制的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 课题的研究目的及意义
• 1.3 下肢康复训练机器人及骨盆控制方法的研究状况
• 1.3.1 国外研究发展概况
• 1.3.2 国内研究发展概况
• 1.4 绳索牵引并联机构的研究状况
• 1.4.1 绳索牵引并联机构分类
• 1.4.2 国外研究发展概况
• 1.4.3 国内研究发展概况
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 绳索牵引骨盆运动控制机器人方案
• 2.1 正常人步态过程中骨盆自由度分析
• 2.1.1 步态中下肢的机构形式
• 2.1.2 步态中骨盆自由度分析
• 2.2 绳索牵引机器人方案分析
• 2.3 绳索牵引1R2T机器人绳索布置分析
• 2.3.1 工作空间大小分析
• 2.3.2 可控工作空间质量分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 绳索牵引1R2T机器人运动学及欠约束控制特性分析
• 3.1 绳索牵引并联机器人运动学分析
• 3.1.1 绳索牵引并联机器人位置分析
• 3.1.2 绳索牵引并联机器人速度分析
• 3.1.3 绳索牵引并联机器人加速度分析
• 3.2 绳索牵引并联机器人静力学分析
• 3.3 欠约束绳索牵引机器人控制特性分析
• 3.3.1 垂直轴移动对1R2T机器人性能影响
• 3.3.2 绳索过轮对系统运动影响
• 3.3.3 绳索弹性对系统运动影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 绳索牵引1R2T机器人动力学分析
• 4.1 绳索牵引并联机器人静态刚度分析
• 4.1.1 绳索刚度对机器人静态刚度影响
• 4.1.2 绳索最小拉力对机器人静态刚度影响
• 4.2 骨盆振动特性分析
• 4.3 绳索牵引并联机器人动力学分析
• 4.3.1 未考虑绳索刚度的机器人动力学分析
• 4.3.2 考虑绳索刚度的机器人动力学分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 绳索牵引1R2T机器人运动规划研究
• 5.1 运动学运动规划研究
• 5.2 逆动力学运动规划研究
• 5.3 动力学仿真分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 绳索牵引驱动控制特性实验研究
• 6.1 实验样机研制
• 6.1.1 机械结构
• 6.1.2 控制系统硬件
• 6.2 系统标定实验
• 6.3 驱动控制特性实验
• 6.3.1 单方向运动控制实验
• 6.3.2 复合运动控制实验
• 6.4 轨迹跟踪及动力学实验
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历