助行训练机器人系统设计及步态控制实验研究

论文摘要

助行训练机器人是针对于截瘫忠者、偏瘫患者以及行走有运动障碍患者的行走康复训练而提出的,具有一定应用价值的康复机器人系统。本文的主要目标是完成助行训练机器人系统平台的初步设计,包括骨盆控制机构系统的设计和腿部步态控制系统的设计,对各分系统进行运动学,动力学仿真分析,并完成单腿步态控制系统的实验研究,为助行训练机器人研究及应用提供一定的理论依据。本文介绍了康复机器人国内外研究现状,并分析了绳索牵引技术在国内外的应用,提出了助行训练机器人总体设计方案,并应用Pro/E三维设计软件进行了助行训练机器人总体结构设计,通过对系统的分析提出了机器人总体控制方案。助行训练机器人包括骨盆位姿控制机构和腿部步态控制系统两大部分,通过对提出的骨盆位姿控制机构的SimMechanics运动学仿真和3D人体模型的步态仿真,证明了骨盆位姿控制机构可以完成对骨盆运动的控制,该机构的设计具有一定的合理性。本文详细分析了助行训练机器人腿部步态控制系统,对其进行了运动学分析,推导单自由度步态控制机构动力学模型,在Matlab/Simulink环境下进行了动力学仿真和控制仿真,分析和探讨了系统中绳索刚度系数,张紧力对系统的影响。完成了控制系统的设计和制作,通过实验研究证实了理论分析的正确性,并完成了单腿模型的轨迹控制实验,系统运行平稳,抗干扰能力强,跟踪误差达到了设计目标,从而进一步说明所建立系统的正确性和合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源及研究目的、意义
• 1.2 康复机器人国内外研究现状及分析
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 国内外绳索牵引系统发展状况
• 1.4 研究目标及论文的主要工作
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 论文的主要工作
• 第2章 助行训练机器人总体方案
• 2.1 引言
• 2.2 正常人行走时运动规律分析
• 2.2.1 骨盆运动规律分析
• 2.2.2 下肢运动规律分析
• 2.3 助行训练机器人总体方案的确定
• 2.4 骨盆位姿控制机构方案的确定
• 2.4.1 骨盆位姿控制机构方案的选择
• 2.4.2 骨盆位姿控制机构的设计
• 2.5 腿部步态控制机构方案的确定
• 2.5.1 腿部步态控制机构方案的选择
• 2.5.2 腿部步态控制机构的设计
• 2.6 助行训练机器人控制系统总体方案
• 2.7 本章小结
• 第3章 骨盆位姿控制机构建模与仿真
• 3.1 引言
• 3.2 骨盆位姿控制机构模型
• 3.3 骨盆位姿控制机构运动学仿真分析
• 3.3.1 SimMechanics运动学仿真
• 3.3.2 3D虚拟样机及运动学仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 腿部步态控制系统建模及仿真
• 4.1 引言
• 4.2 腿部步态控制机构模型及运动学分析
• 4.3 单自由度步态控制系统动力学模型及仿真
• 4.3.1 单自由度步态控制系统动力学模型
• 4.3.2 单绳牵引系统动力学仿真
• 4.3.3 单自由度步态控制系统动力学仿真
• 4.4 单自由度系统的控制仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 单腿步态控制系统实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 半物理仿真系统平台
• 5.3 步态控制实验系统组成
• 5.4 实验目的
• 5.5 单电机伺服控制实验
• 5.6 单自由度控制实验及杆件间的影响
• 5.6.1 单自由度控制实验
• 5.6.2 运动杆件间的影响实验
• 5.6.3 系统刚度实验
• 5.7 轨迹控制实验
• 5.7.1 轨迹规划
• 5.7.2 轨迹跟踪实验
• 5.8 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