腿康复机器人主被动控制及实验研究

论文摘要

康复机器人在近年来得到了快速的发展,已得到国内外研究人员的重视,成为人们关注的热点,其用于帮助老年人及肢体运动功能障碍的患者进行康复训练,恢复肢体功能,具有广泛的研究价值和市场前景。积极有效的康复训练控制策略是康复机器人的难点之一,因此,本课题的研究更具有实际应用意义。本课题的主要内容是针对腿康复机器人进行了主被动控制及实验研究。结合国内外下肢康复机器人的发展现状和应用情况,确定了腿康复机器人的总体方案。设计了肌肉痉挛和足底力检测装置。提出了被动控制和主被动控制策略,并进行了相关的实验研究。主要内容如下：确定了机器人的总体方案。系统的结构部分由髋膝关节训练机构和踝关节训练机构组成。系统的控制部分包括机器人的控制策略、系统的软件和硬件。建立了基于PC机和单片机的上、下位机控制系统。利用Stateflow工具实现了控制系统的逻辑建模。设计了肌肉痉挛检测系统和足底力检测系统。根据肌肉痉挛检测原理,设计了肌肉痉挛检测装置,包括传感器的结构设计和控制电路的设计。对正常人行走时的肌肉压力变化进行了实验分析,验证了利用肌肉痉挛检测装置检测患者肌肉痉挛的可行性。通过分析足底力检测装置的检测原理,设计了足底力检测装置和信号调理电路。通过实验对足底力传感器进行了标定。分别对机器人和人体进行了运动学分析。实现了腿康复机器人的轨迹跟踪控制,对控制系统参数进行了优化,通过轨迹跟踪实验验证了轨迹跟踪控制理论的可行性。并在腿康复机器人控制系统中加入了力反馈,采用了柔顺控制,获得了一定的刚度特性和阻尼特性,保证了患者的安全性和舒适度要求。针对在康复的不同阶段患者肢体的状况,分析了主被动控制训练模式,设计了基于力闭环的主被动控制策略和基于位置增量的主被动控制策略的控制器,通过力闭环控制实验验证了力闭环控制策略的正确性,并结合轨迹跟踪控制实验验证了基于力闭环的主被动控制策略实现的可能性。通过主被动控制实验分析了基于位置增量的主被动控制策略的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的、意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 论文的主要内容
• 第2章 机器人系统总体方案
• 2.1 系统结构方案
• 2.2 系统控制方案
• 2.2.1 机器人控制方法
• 2.2.2 控制系统硬件
• 2.2.3 控制系统软件
• 2.3 本章小结
• 第3章 检测装置设计与分析
• 3.1 肌肉痉挛检测装置
• 3.1.1 检测原理
• 3.1.2 结构及信号调理电路
• 3.1.3 实验分析
• 3.2 足底力检测装置
• 3.2.1. 检测原理
• 3.2.2 结构及信号调理电路
• 3.2.3 力传感器标定
• 3.3 本章小结
• 第4章 机器人被动控制研究
• 4.1 机器人的运动学分析
• 4.2. 轨迹跟踪控制
• 4.2.1 轨迹跟踪控制策略
• 4.2.2 轨迹跟踪控制实验
• 4.3 柔顺控制
• 4.3.1 柔顺控制策略
• 4.3.2 柔顺控制实验
• 4.4. 本章小结
• 第5章 机器入主被动控制研究
• 5.1 力闭环控制
• 5.1.1 力闭环控制原理
• 5.1.2 力闭环控制实验研究
• 5.2 主被动控制策略
• 5.2.1 基于力闭环主被动控制
• 5.2.2 基于位置增量主被动控制
• 5.3 主被动控制实验分析
• 5.3.1 髋膝关节训练实验
• 5.3.2 踝关节训练实验
• 5.4 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