手部功能康复机器人电气控制系统的设计与研究

论文摘要

脑卒中患病率高，是导致手功能受损的一个主要原因，脑卒中后手部肢体偏瘫的治疗和康复已经成为现代康复医学和康复工程的研究热点。目前国内外对于因脑卒中引起的手部偏瘫运动功能损失的改善和康复治疗，主要采用的方法是通过修复或重塑受损神经，加强肌肉肌腱的强度锻炼，完成运动学习来复原或改善患手的运动功能。在各种手部功能康复手段和方法中，机器人辅助康复疗法被广泛采用。手部功能康复机器人作为机器人辅助康复设备的一种，其主要任务是辅助手部关节及手指完成弯曲伸展康复训练。本文针对脑卒中后手部运动功能的康复，对手部功能康复机器人电气控制系统进行了设计和研究。作者首先分析了手部功能康复机器人国内外研究发展现状，总结了在电气控制系统方面存在的不足和缺陷。接着总体概述了手部功能康复机器人机械和电气控制系统的组成，在分析了人手生物运动特性和康复医疗训练策略的基础上，设计了手部功能康复机器人基于患者表现逐步辅助的训练控制策略。本文随后详细阐述了康复机器人电气系统的硬件组成及设计实现过程，完成了基于NiosⅡ软核的处理系统、基于PwM控制原理的多路直流电机驱动器、传感器数据采集、人机交互及电源管理五个子系统的设计，整个电气硬件系统具有集成度高、微型化的特点，满足了康复机机器人便携性的要求。其次，详细阐述了康复机器人基于扰动观测器的PID鲁棒控制方法的设计过程，介绍了康复机器人控制系统结构，然后分别建立了驱动电机和机械负载的数学模型，接着在讨论康复机器人典型PID控制方法的基础上，提出了手部功能康复机器人基于扰动观测器的PID鲁棒控制方法，设计了扰动观测器和低通滤波器，该控制方法能有效地抑制康复机器人运行时来自手部的干扰，从而提高控制系统的鲁棒性，并利用MATLAB软件对系统进行仿真分析，通过仿真实验验证了控制器和控制算法的有效性。本文最后对设计完成的手部功能康复机器人电气控制系统进行性能测试，通过实验验证了各功能模块的可行性和可靠性。实验中获取的电气性能参数和控制性能参数是手部功能康复机器人性能指标评估和进一步优化改进的重要依据，同时实验数据为后续的临床实验提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 康复机器人研究发展概述
• 1.2.2 国外手部功能康复机器人研究现状
• 1.2.3 国内手部功能康复机器人研究现状
• 1.2.4 研究现状分析总结
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 康复机器人系统结构及训练控制策略
• 2.1 引言
• 2.2 手部功能康复机器人机械系统
• 2.3 手部功能康复机器人电气控制系统
• 2.3.1 康复手控制系统控制要求
• 2.3.2 电气控制系统整体方案
• 2.4 手部功能康复机器人的训练控制策略
• 2.4.1 人手生物运动特性分析
• 2.4.2 基于PCPM理论的连续被动控制策略
• 2.4.3 基于CIMT理论的强制性诱导控制策略
• 2.4.4 基于PARM理论的重复主动控制策略
• 2.4.5 基于患者表现逐步辅助控制策略
• 2.5 本章小结
• 第3章 康复机器人电气硬件系统设计与实现
• 3.1 引言
• 3.2 电气系统总体组成结构
• 3.3 FPGA 芯片及开发流程
• 3.3.1 FPGA芯片
• 3.3.2 VHDL硬件描述语言
• 3.3.3 FPGA开发流程
• 3.4 基于NiosⅡ软核的实时处理系统的设计
• 3.5 直流电机驱动系统的设计与实现
• 3.5.1 直流电机：PWM控制原理
• 3.5.2 驱动系统电路设计与实现
• 3.6 传感器数据采集系统的设计与实现
• 3.6.1 传感器配置和采集方案
• 3.6.2 力、角度传感器信号处理电路
• 3.6.3 电机编码器信号处理电路
• 3.7 人机交互系统的设计
• 3.7.1 让你机交互系统硬件结构
• 3.7.2 基于S3C2410核心的最小系统
• 3.7.3 蓝牙转串口通信模块
• 3.8 电源管理系统的设计
• 3.9 本章小结
• 第4章 康复机器人控制方法研究及仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 康复机器人控制系统模型
• 4.2.1 康复机器人控制系统结构
• 4.2.2 驱动电机数学模型的建立
• 4.2.3 机械负载数学模型的建立
• 4.3 典型PID控制及仿真实验
• 4.3.1 PID控制器结构
• 4.3.2 仿真实验与分析
• 4.4 基于扰动观测器的PID鲁棒控制
• 4.4.1 扰动观测器结构
• 4.4.2 扰动观测器的设计
• 4.4.3 仿真实验与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 康复机器人系统实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 手部功能康复机器人系统实验平台
• 5.3 手部功能康复机器人控制系统实验
• 5.3.1 位置和速度控制实验
• 5.3.2 压力传感器数据采集实验
• 5.3.3 无线通信模块实验
• 5.3.4 人机交互界面实验
• 5.4 手部功能康复机器人运动性能实验
• 5.4.1 手指单关节弯曲伸展实验
• 5.4.2 手指多关节弯曲伸展实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢