步态训练机器人结构设计及实验研究

论文摘要

机器人技术是当代科学技术中发展最为活跃的领域之一,也是一个国家科技水平的体现,将机器人辅助治疗技术引入到康复训练中,已经逐渐得到国内外研究人员的重视,并发展成为热门课题之一。本文所涉及的步态训练机器人旨在达到康复与健身的双重目的。本文依据国内外下肢康复训练机器人的发展状况及应用对象和人体步态康复理论,确定了机器人系统的设计目标和总体方案,并建立了机器人单侧机构的系统模型,进行了仿真分析和基于机器人样机的实验研究,主要内容如下:本文首先分析了下肢康复机器人技术的国内外发展现状和应用情况,结合人体步态康复理论提出了以一种6自由度机器人系统为结构方案;具体设计了机器人样机,包括机器人作业空间分析与关键参数的确定;对机器人单侧机构进行了运动学分析,推导出了正、逆运动学方程并验证了其正确性;搭建了基于MATLAB/SimMechanics的机器人总体运动学模型,通过仿真分析验证机器人设计的正确性与合理性。然后完成了对机器人零部件的质量与惯量的测量和估算;推导了组成机器人的驱动机构的数学模型;以MATLAB软件中的Simulink和M函数为平台,应用联立约束法建立了机器人单侧机构动力学模型并验证了模型的正确性;设置各项参数完成对跟踪给定轨迹的动力学控制仿真,得到在跟踪过程中所需的动力与速度参数。最后利用dSPACE实时仿真平台进行了半实物仿真实验研究,基于MATALAB/Simulink和dSPACE RTI1103并在Controldesk操作界面上编写程序,完成对机器人实际工作空间的测量,结合理论分析,证实实际工作空间满足机器人的设计要求;完成机器人承载能力实验,实验表明:所设计的机器人具有足够的承载能力与快速的响应特性,并具备安全、稳定的特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 下肢康复训练机器人研究现状
• 1.2.1 国外发展状况
• 1.2.2 国内发展状况
• 1.3 课题的来源与目的
• 1.4 本文主要研究工作
• 第2章 机器人工作原理及结构方案
• 2.1 引言
• 2.2 人体步态研究
• 2.2.1 人体步态康复理论依据
• 2.2.2 人体步态特征
• 2.2.3 人体下肢模型和步态轨迹分析
• 2.3 机器人设计要求
• 2.4 机器人工作原理
• 2.5 机器人结构设计
• 2.5.1 机器人三维建模与工程图
• 2.5.2 驱动方式选择
• 2.5.3 驱动元件与重要部件选择
• 2.6 本章小结
• 第3章 步态训练机器人运动学分析
• 3.1 引言
• 3.2 机器人运动学模型
• 3.2.1 正运动学分析
• 3.2.2 逆运动学分析
• 3.2.3 运动学模型验证
• 3.3 机器人作业空间分析与杆长的确定
• 3.3.1 机构杆长的确定
• 3.3.2 机器人作业空间分析
• 3.4 基于SimMechanics的机构运动学仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 步态训练机器人动力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 机器人各杆件的质量与惯量
• 4.3 机器人驱动机构建模
• 4.3.1 直流伺服电机系统模型
• 4.3.2 机器人位置机构模型
• 4.3.3 机器人姿态机构模型
• 4.4 步态训练机器人单侧机构动力学模型
• 4.4.1 牛顿-欧拉方程组
• 4.4.2 闭环矢量方程
• 4.4.3 质心加速度方程
• 4.4.4 约束矩阵方程
• 4.5 机器人单侧机构动力学仿真
• 4.5.1 动力学模型验证
• 4.5.2 仿真分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统
• 5.2.1 机器人样机
• 5.2.2 机器人控制系统
• 5.3 机器人实际作业空间
• 5.4 机器人承载能力检验
• 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