5自由度上肢康复机器人质心法建模与神经网络控制

论文摘要

上肢康复训练机器人是医疗机器人的一个重要分支,它以偏瘫上肢的运动再学习理论为依据,融合了康复医学、人体解剖学、机械学、计算机科学及机器人学等诸多学科技术,是当前国内外研究的热点,对促进残疾人事业发展、改善残疾人生活质量将有巨大的作用。本课题研究的是一种外骨骼式上肢康复机器人,它的各关节与人的关节相一致,可以模拟手臂的运动规律,使用时通过与患者上肢固定在一起,带动患者进行康复训练,使上肢有运动障碍的病人病情得到恢复。本文研究的康复机器人是以人体解剖学和人体尺寸参数为基础所设计的五自由度康复机器人,而建立一个精确的动力学模型在研究五自由度康复机器人的过程中至关重要,文中先详细介绍了康复机器人机械臂的运动学的一些基本知识,如坐标变换理论、D-H法、雅各比矩阵等,在此基础上推导了正逆运动学方程,分析了末端位姿微分变化同各个关节速度之间的关系。康复机器人的动力学方程采用拉格朗日法求解,并且将康复机器人手臂简化为一个三自由度的机械手臂。通过对动力学方程求解过程的研究,发现可以采用质心法求转动惯量替代积分求取转动惯量来求解动力学方程,经过仿真验证,证实所得的动力学方程与积分所求得的动力学方程在一个误差允许的范围内,为今后使用该方法进行机器人研究提供了理论依据。最后,为了消除康复训练过程中患者随机的晃动患肢对机器人手臂动力学方程的影响,采用RBF神经网络控制对康复机器人进行控制,并根据不确定项的组成形式,采用最适合的RBF神经网络,并且将模型在matlab中运用该控制方法进行仿真,通过对仿真的分析得出该方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 康复训练原理和方法
• 1.3 康复机器人现状
• 1.3.1 康复机器人研究现状
• 1.3.2 国外发展状况
• 1.3.3 国内发展现状
• 1.4 主要完成的工作
• 第2章 上肢康复机器人系统
• 2.1 引言
• 2.2 上肢康复机器人设计要求
• 2.2.1 人体结构对康复机器人的要求
• 2.2.2 康复机器人设计参数
• 2.3 上肢康复机器人机械结构分析
• 2.3.1 上肢康复机器人机械结构
• 2.3.2 上肢康复机器人硬件驱动系统
• 2.3.3 上肢康复机器人传感器及信号采集
• 2.4 本章小结
• 第3章 5自由度上肢康复机器人运动学与动力学基础
• 3.1 引言
• 3.2 5自由度上肢康复机器人运动学基础
• 3.2.1 空间中刚体的位姿
• 3.2.2 机器人齐次坐标变换
• 3.2.3 机器人运动学的D-H表示法
• 3.2.4 上肢康复机器人运动学
• 3.3 5自由度上肢康复机器人动力学基础
• 3.3.1 机器人动力学研究方法
• 3.3.2 拉格朗日法
• 3.3.3 朗格朗日法求解机器人动力学方程
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于质心法的机器人动力学模型
• 4.1 上肢康复机器人结构优化
• 4.1.1 上肢康复机器人参数
• 4.1.2 机器结构优化
• 4.2 机器人的动力学推导过程分析
• 4.3 质心法验证
• 4.3.1 质心法验证模型
• 4.3.2 质心法仿真结论
• 4.4 基于质心法推导上肢康复机器人动力学方程
• 4.5 本章小结
• 第5章 5自由度上肢康复机器人神经网络控制
• 5.1 RBF神经网络
• 5.1.1 RBF神经网络网络结构
• 5.1.2 RBF网络参数
• 5.2 神经网络控制
• 5.3 控制器的设计
• 5.4 神经网络的分项逼近动力学不确定项
• 5.5 仿真实例
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢