下肢行走康复训练机器人控制系统及控制策略研究

论文摘要

在当今社会中,由于脑卒中、脊柱损伤、意外事故伤害等原因造成人体的神经受损,进而引发人体运动功能障碍已成为一种常见的疾病。目前,减重步态训练是下肢偏瘫患者康复治疗普遍采用的有效方法之一,这种康复方式对脑卒中和不完全脊柱损伤等有特殊的疗效,其康复效果已经得到国内外众多医学专家的普遍认同。本课题以下肢行走康复训练机器人为研究背景,对康复训练机器人的控制系统及控制策略进行了重点研究。首先依据下肢康复机器人国内外研究现状,分析了该课题研究的难点及重点。结合康复医学理论,本文提出了下肢行走康复训练机器人总体设计方案,在设计的机器人机械结构基础上,对下肢行走康复训练机器人控制系统进行了设计。其次,对助力腿运动的路径轨迹进行了规划,并分析了人机系统与医用跑步机之间协调运动;依据患者康复训练的程度设计了“机器人主动”和“患者主动”两种控制模式下的系统控制策略,重点设计了在“机器人主动”模式下采用的模糊控制策略。然后完成对下位机单片机控制程序和上位机LabVIEW程序编写与调试。并通过实验对提出的控制算法进行了验证和优化。下肢行走康复训练机器人是机器人技术与康复医学理论的结合,它能有效地降低医护人员的工作强度,提高患者进行步态康复训练的效率。通过大量实验初步验证下肢行走康复训练机器人控制策略和方案是可行且有效的。同时课题的研究也为今后机电气一体化系统以及人机一体化系统的控制技术探索新途径,其研究内容具有较大理论及实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究状况及分析
• 1.2.1 国外下肢行走康复机器人的研究现状
• 1.2.2 国内下肢行走康复机器人的研究现状
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 下肢行走康复训练机器人总体方案设计
• 2.1 康复医学理论
• 2.1.1 人体下肢解剖结构
• 2.1.2 人体步行运动分析
• 2.1.3 脑卒中患者步态特征
• 2.2 下肢行走康复机器人总体方案设计
• 2.2.1 系统总体功能要求
• 2.2.2 系统总体方案设计
• 2.3 下肢行走康复机器人机械结构的设计与分析
• 2.3.1 机械结构部分基本尺寸的确定
• 2.3.2 驱动器和传感器的选取与规划布置
• 2.4 本章小结
• 第3章 控制系统软硬件设计
• 3.1 控制系统总体方案设计
• 3.2 硬件电路的分析与调试
• 3.2.1 总体分析
• 3.2.2 控制板主要芯片性能分析
• 3.3 控制系统下位机程序设计
• 3.3.1 控制板各模块功能实现
• 3.3.2 下位机各控制器的程序设计
• 3.4 控制系统上位机程序设计
• 3.4.1 通信模块程序设计
• 3.4.2 数据处理程序设计
• 3.4.3 康复患者数据库的建立
• 3.4.4 用户界面的设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 下肢行走康复训练机器人路径轨迹和运动控制策略研究
• 4.1 机器人运动控制的常用方法
• 4.1.1 PID 控制
• 4.1.2 模糊控制
• 4.1.3 模糊PID 控制
• 4.1.4 神经网络
• 4.2 助力腿路径轨迹的规划
• 4.3 人机系统与医用跑步机之间的协调运动
• 4.4 康复训练模式
• 4.5 运动控制策略
• 4.5.1 “机器人主动训练模式”的控制策略
• 4.5.2 “患者主动训练模式”的控制策略
• 4.6 本章小结
• 第5章 康复机器人系统性能测试
• 5.1 系统实验平台的搭建
• 5.1.1 气动控制方法的对比和选取
• 5.1.2 PWM 气动控制回路的分析与设计
• 5.2 实验验证
• 5.2.1 单关节动作实验的分析
• 5.2.2 单腿双关节联动实验的分析
• 5.2.3 减重气动系统控制实验
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要研究工作
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果