截瘫患者下肢康复机器人设计与实验研究

论文摘要

截瘫是严重影响人类生活的疾病之一,对截瘫患者进行康复训练是促使患者康复的重要手段,康复机器人有助于康复训练的定量化,长效化。对截瘫患者下肢康复机器人开展研究,具有重要的现实意义和应用价值。本文结合人体下肢在矢状面的运动特点,设计了截瘫患者下肢康复机器人样机,建立了驱动关节的数学模型并进行了优化设计。导出了康复机器人驱动空间与关节空间的映射关系。采用D-H法建立机器人坐标系,并求得康复机器人运动学方程。对康复机器人末端直线运动和圆弧运动两种工况进行了轨迹规划,求出了关节转角,为康复机器人虚拟样机仿真提供了关节转角参数。基于蒙特卡洛方法,利用MATLAB软件求出了康复机器人的工作空间,绘制了工作空间图形。应用功能强大的三维设计软件Pro/E建立了康复机器人三维实体模型,并通过Pro/E与ADAMS软件间的接口软件MECHANISM/Pro,将模型导入ADAMS中。通过将MATLAB/Simulink产生的关节转角数据在ADAMS中进行样条曲线拟合后加入到模型的运动副中,实现了康复机器人两种工作状况的仿真。在仿真过程中测量了康复机器人的位移、速度、关节转角及角速度、驱动力矩等重要参数。此外,本文设计的康复机器人运动控制系统,实现了康复机器人运动过程中传感器信号的初步采集,为下一步对患者进行电刺激康复训练做了基础准备工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 课题来源与研究的目的和意义
• 1.3 国内外康复机器人研究状况
• 1.3.1 国外康复机器人研究状况
• 1.3.2 国内康复机器人研究状况
• 1.4 康复机器人研究方向及发展趋势
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 截瘫患者下肢康复机器人结构设计
• 2.1 概述
• 2.2 康复机器人设计要求
• 2.3 下肢康复机器人整体设计
• 2.3.1 杆长设计
• 2.3.2 关节转角设计
• 2.3.3 局部驱动关节结构设计
• 2.3.4 主要部件的选型
• 2.4 转动关节机构尺寸优化设计
• 2.4.1 设计变量
• 2.4.2 目标函数
• 2.4.3 约束条件
• 2.4.4 优化方法及结果
• 2.5 驱动空间与关节空间转换
• 2.6 本章小结
• 第3章 截瘫患者下肢康复机器人运动学及工作空间分析
• 3.1 概述
• 3.2 康复机器人运动学分析
• 3.2.1 运动学正解
• 3.2.2 运动学反解
• 3.2.3 基于MATLAB/Simulink 的运动学仿真
• 3.3 康复机器人轨迹规划
• 3.3.1 直线运动轨迹规划
• 3.3.2 圆周运动轨迹规划
• 3.4 康复机器人工作空间分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 截瘫患者下肢康复机器人虚拟样机建模与运动仿真
• 4.1 概述
• 4.2 虚拟样机技术简介
• 4.3 康复机器人虚拟样机建模
• 4.3.1 ADAMS 软件简介
• 4.3.2 Pro/E 软件与模型建立
• 4.3.3 Pro/E 与ADAMS 模型转换接口技术
• 4.4 两种工况下康复机器人仿真
• 4.4.1 康复机器人直线运动仿真
• 4.4.2 康复机器人圆周运动仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 截瘫患者下肢康复机器人控制系统设计与实验研究
• 5.1 概述
• 5.2 康复机器人控制系统硬件组成
• 5.2.1 电控箱设计
• 5.2.2 电机驱动器
• 5.2.3 电机编码器
• 5.2.4 绝对位置编码器
• 5.2.5 拉压力传感器数据采集卡
• 5.3 康复机器人控制系统软件设计
• 5.3.1 数据通信接口
• 5.3.2 康复运动程序设计
• 5.4 圆周运动实验与分析
• 5.4.1 实际圆周轨迹绘制
• 5.4.2 实际关节转角测量
• 5.4.3 传感器信号测量
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介