踝关节融合康复机器人系统的轨迹规划和运动控制

论文摘要

康复机器人技术是近年来迅速发展起来的一门新兴技术,是机器人技术在医学领域内的新应用。本文结合当今社会存在的踝关节高发病率的情况,设计研制了新型的踝关节运动康复机器人样机,提出了“生物融合机构系统”这一康复机器人机构的新概念,并在对样机进行运动学、静力学分析的基础上,对样机进行了康复运动轨迹的规划,设计了它的控制系统。首先,结合运动解剖学、临床医学和康复医学等相关知识,分析了踝关节的损伤类型、机理,建立了踝关节的仿生机构学模型和康复运动模型。依据“生物融合机构系统”的概念,设计了踝关节融合康复机器人的机构和运动模型。运用影响系数理论对踝关节康复机器人机构进行了运动学分析,得到了机构机构的速度解和加速度解,以及各种康复运动时驱动单元的位置、速度、加速度曲线图。其次,对踝关节康复机器人进行了静力学的分析,推导出了踝关节与各个驱动杆之间的力的相互作用关系,分析了踝关节主动施力对各个驱动杆长度的影响。基于静力学分析,对踝关节康复机器人的康复轨迹进行了规划,利用ADAMS软件对规划的路径进行模拟仿真,并利用软件的测量功能对前述的速度解、加速度解进行了验证。最后,本文提出了基于“PC+运动控制器”的踝关节康复机器人控制系统机构方案。详细地叙述了硬件系统的设计过程,给出了具体实现方法,并运用VC++软件开发了人机交互的界面,实现了踝关节康复机器人的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 康复机器人的发展
• 1.2.1 代偿型康复机器人
• 1.2.2 辅助型康复机器人
• 1.2.3 治疗型康复机器人
• 1.3 课题的来源
• 1.3.1 踝关节康复机器人研究的必要性
• 1.3.2 踝关节康复机器人的研究进展
• 1.4 课题研究的意义
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 踝关节融合康复机器人机构建模
• 2.1 概述
• 2.2 踝关节的临床研究
• 2.2.1 踝关节的结构
• 2.2.2 踝关节损伤机理
• 2.2.3 踝关节损伤的临床表现
• 2.2.4 踝关节损伤的康复治疗方法
• 2.2.5 踝关节损伤的康复运动建模
• 2.3 康复机器人机构的分类
• 2.3.1 机构及分类方法
• 2.3.2 康复机器人的机构学分类
• 2.4 踝关节康复机器人机构模型的建立
• 2.4.1 踝关节康复机器人机构的构型
• 2.4.2 机构的螺旋系与反螺旋系
• 2.4.3 生物融合踝关节康复机器人自由度分析
• 2.5 生物融合踝关节康复机器人运动模型
• 2.5.1 踝关节康复机器人机构的D-H参数
• e）S / PS机构的位置反解'>2.5.2 4- UP（P_e）S / PS机构的位置反解
• 2.6 本章小结
• 第3章 踝关节融合康复机器人运动学分析
• 3.1 概述
• 3.2 运动影响系数理论
• 3.3 少自由度并联机构影响系数的虚设机构法
• 3.4 运动阶影响系数求解
• 3.4.1 机构支链的一阶影响系数矩阵
• 3.4.2 机构的一阶影响系数矩阵
• 3.4.3 分支的二阶影响系数分析
• 3.4.4 机构的二阶影响系数矩阵
• 3.4.5 机构在康复过程中的运动分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 踝关节融合机构的静力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 生物分支对动平台约束力的分析
• 4.3 踝关节运动康复系统的静力平衡方程
• 4.4 运动康复过程中的静力分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于ADAMS的运动学仿真和轨迹规划
• 5.1 踝关节运动康复系统机构仿真模型的建立
• 5.1.1 几何建模
• 5.1.2 质量属性
• 5.1.3 施加约束
• 5.2 机构位置解和运动学仿真
• 5.2.1 机构位置反解的正确性验证
• 5.2.2 验证运动学反解的正确性
• 5.3 踝关节融合康复机器人康复运动轨迹规划
• 5.3.1 轨迹规划概述
• 5.3.2 复合式转动位置反解的Matlab样条生成
• 5.3.3 复合式转动的运动轨迹生成
• 5.4 本章小结
• 第6章 踝关节融合康复机器人控制系统设计
• 6.1 概述
• 6.2 踝关节康复机器人控制系统硬件设计
• 6.2.1 控制系统的硬件结构
• 6.2.2 控制系统的逻辑结构
• 6.3 踝关节康复机器人控制系统软件设计
• 6.3.1 控制系统的软件开发平台
• 6.3.2 控制系统的软件系统结构
• 6.3.3 人机界面
• 6.3.4 控制系统的工作流程
• 6.4 本章小结
• 结论
• 附录1 初始位形下机构的一、二阶影响系数
• 附录2 控制系统程序代码
• 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