基于LabVIEW的下肢康复机器人控制

论文摘要

利用机器人辅助患者进行康复训练的治疗方式,一直都是国内外下肢康复的研究热点,而且大部分下肢康复训练机都以步态轨迹为依据进行康复训练。越来越多的研究表明跖趾关节在人类步态运动中起着很大的作用,然而由于跖趾关节的活动范围较小,被以往的下肢康复机器人所忽略。本课题在分析国内外研究现状的基础上提出了带有跖趾关节运动能力的下肢康复机器人。具体研究内容如下：本文从人体生物学的角度对人类足部的关节结构和尺寸进行了分析,进而分析了人类步态运动的特性和足底力的变化规律,为设计下肢康复机器人的机构提供了数据参数和理论依据。采用D—H法对机器人进行了运动学分析,推导了正运动学和逆运动学方程,并利用MATLAB/SimMechanics对运动学方程进行了验证。进而构造了机器人的雅克比矩阵,进行了静力学分析。为实现对下肢康复机器人的控制设计了上下位机的两级控制方案。以LabVIEW为核心搭建了上位机的控制平台,并利用此控制平台整合关节轨迹计算、数据存储、限位开关状态采集和人机交互等程序协调控制所有电机。以ATmegal6为核心的下位机采用了位置速度双闭环控制电机运动,以外部中断方式采集编码器信息。根据需要设计了通讯协议的数据帧格式和控制指令。利用dSPACE实时仿真平台和LabVIEW控制平台对下肢康复机器人进行了不同目的的实验。在dSPACE实时仿真平台上进行半物理仿真实验,调定各个关节电机的控制参数。在LabVIEW控制平台上进行不同步态轨迹曲线的跟踪实验,验证控制系统的正确性,分析和评价轨迹跟踪实验的结果,确保下肢康复机器人满足康复训练的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景目的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 下肢康复机器人现状分析
• 1.4 论文主要工作内容
• 第2章 下肢康复机器人总体方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 人体足部特性分析
• 2.2.1 足部关节
• 2.2.2 足部尺寸
• 2.2.3 步态特性及足底力分析
• 2.3 下肢康复机器人结构方案设计
• 2.3.1 设计要求
• 2.3.2 机构方案
• 2.4 控制方案设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 运动学及力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 下肢康复机器人运动学分析
• 3.2.1 正运动学分析
• 3.2.2 逆运动学分析
• 3.2.3 SimMechanics仿真
• 3.3 步态轨迹确定
• 3.3.1 工作空间
• 3.3.2 步态轨迹获取
• 3.4 下肢康复机器人力学分析
• 3.4.1 静力学分析
• 3.4.2 跖趾电机选择
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于LabVIEW的控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 通信协议设计
• 4.3 上位机控制系统设计
• 4.3.1 总体流程设计
• 4.3.2 控制界面设计
• 4.3.3 基于状态机的控制逻辑设计
• 4.3.4 基于队列的数据传递
• 4.3.5 基于Matlab的数据计算
• 4.4 下位机控制系统设计
• 4.4.1 控制逻辑设计
• 4.4.2 控制子程序设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 下肢康复机器人实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 单关节双闭环伺服控制实验
• 5.2.1 基于dSPACE的半物理实验平台
• 5.2.2 单关节速度闭环实验
• 5.2.3 单关节位置双闭环实验
• 5.3 步态轨迹实验
• 5.3.1 基于LabVIEW的实验平台
• 5.3.2 步行轨迹实验
• 5.3.3 上楼梯轨迹实验
• 5.3.4 下楼梯轨迹实验
• 5.4 不同步态参数的实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢