基于绳驱动的COP控制系统研究

论文摘要

康复机器人技术是近年来迅速发展起来的一门新兴技术,是机器人技术在医学领域的新应用。下肢康复机器人是其中的一种,它可以模拟正常人的行走姿态,对下肢有运动障碍的病人进行下肢康复训练。本课题的主要内容是基于绳驱动的下肢康复机器人COP(骨盆中心:Center of Pelvis的简写)运动机构伺服控制关键技术研究以及实验分析。主要研究内容如下:针对步态运动过程中骨盆中心所具有的自由度类型,提出一种对称的5根绳索牵引的并联机器人模型,并依此模型设计出骨盆中心运动控制机构。同时确定了运动机构的驱动方式。基于dSPACE提出了骨盆中心运动机构总体控制方案。然后先设计了直流电机伺服驱动卡其中包括直流调速的驱动模块、过流保护电路、通信电路、仿真器电路、数字控制系统电源电路等,其次设计了传感器信号放大电路,最后对传感器进行标定。建立了单自由度绳驱动伺服控制模型,根据此模型设计了单自由度绳驱动系统力/位置混合伺服控制器,并对力/位置混合伺服控制器进行了仿真分析。基于dSPACE设计了单自由度绳驱动系统半物理仿真平台,利用仿真平台对系统进行了辨识。进行了单自由度绳驱动系统力/位置混合伺服控制实验,实验证实了所设计的混合伺服控制系统的各项性能指标达到了设计要求,性能可靠,可以完成对绳驱动的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外康复机器人发展状况
• 1.2.1 国内状况
• 1.2.2 国外状况
• 1.3 国内外绳驱动发展状况
• 1.4 课题来源以及研究的目的与意义
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 绳驱动下肢康复机器人机构方案
• 2.1 引言
• 2.2 骨盆运动模型分析
• 2.3 骨盆运动机构方案
• 2.4 驱动方案
• 2.5 本章小结
• 第3章 控制系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 控制方案设计
• 3.2.1 半物理仿真系统
• 3.2.2 系统控制方案
• 3.3 控制系统硬件
• 3.3.1 直流电机伺服驱动卡的设计
• 3.3.2 拉力传感器放大器设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 骨盆运动控制及仿真研究
• 4.1 引言
• 4.2 单自由度绳驱动控制机构数学模型
• 4.3 速度伺服控制器的设计
• 4.3.1 不完全微分PID控制原理
• 4.3.2 利用Signal Constraint进行控制器优化
• 4.4 力/位置混合伺服控制器的研究
• 4.5 力/位置混合伺服控制器仿真分析
• 4.5.1 力、位置控制性能分析
• 4.5.2 力对位置控制的影响分析
• 4.5.3 位置对力控制的影响分析
• 4.5.4 力、位置控制仿真分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 控制系统实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统
• 5.3 系统模型辨识实验
• 5.4 dSPACE控制程序
• 5.5 力/位置混合伺服控制实验
• 5.5.1 力控特性分析
• 5.5.2 位置控制特性分析
• 5.5.3 力/位置混合伺服控制特性分析
• 5.6 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