基于气动柔性驱动的膝关节康复训练变刚度控制研究

发布时间：2017-04-26 06:09

  本文关键词：基于气动柔性驱动的膝关节康复训练变刚度控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：中国社会科学院蓝皮书指出,我国在2013年老年人口将突破2亿。老龄人关节的不断退化、不同人群的运动损伤和交通事故导致肢体障碍病人不断增加,这就为关节康复训练器的发展提供了机遇。而气动柔性驱动器由于是新型的具有柔顺性好、安全性高的气动驱动元件,在康复医疗领域具有广阔的应用前景。但是,精确表达它的静动态模型还是非常困难,控制方式也有待解决。 康复训练器的目的就是维持患者的身体功能,最大程度地恢复患肢的正常动作。目前研究开发的大多是Mckibben型气动人工肌肉,很多学者也对其进行了研究,但是这种康复器行程较短,一般不能实现主动训练。而且在主/被动不同的训练阶段中,需要针对不同时期的不同患者,采取不同的康复训练手段,这就要求末端的柔性驱动器具有不同的刚度,用以提供不同的驱动力或者阻尼力,同时还能够进行力的自适应控制。因此,本文的主要研究工作如下： (1)针对所研发的气动柔性驱动器进行静动态输出力模型的研究。以所研发的气动柔性驱动器为对象,提出了对伸长长度的校正系数,并改进了静态输出力模型,得出影响气动柔性驱动器输出力的主要因素是工作长度和供气压力,随后在理论分析的基础上对气动柔性驱动器进行了静态力学特性的试验研究,通过试验与模型的对比,验证了改进输出力模型的正确性；通过仿真与试验分析了气动柔性驱动器系统的动态特性,建立了系统的动态模型,为气动柔性驱动器刚度的研究奠定了基础。 (2)气动柔性驱动器刚度特性的研究。以所研发的气动柔性驱动器为对象,推导出了气动柔性驱动器的静态刚度表达式,分析了影响气动柔性驱动器静态刚度的主要因素,并对其静态刚度进行了试验的研究,通过模型与试验的对比验证了静态刚度公式的正确性；给出了一个科学合理的气动柔性驱动器变刚度的定义,并推导出气压刚度的数学模型；建立了完整的动态刚度数学模型,分析了影响它的主要因素；以对抗安装的气动柔性驱动器为研究对象,通过有限元和试验分析得出影响对抗刚度的主要因素是对抗安装气动柔性驱动器的初始供气压力。 (3)关节康复训练的变刚度控制技术研究。针对不同时期不同的患者,在对气动柔性驱动器特性和刚度研究的基础上,提出了关节康复训练的变刚度控制策略,开发了基于LABVIEW的变刚度控制系统。
【关键词】：气动柔性驱动器 关节康复 静动态特性 静态刚度 变刚度
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH789;TH138
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-15
• 1.1 课题的研究背景与意义8
• 1.2 气动柔性驱动器在康复领域的研究现状与分析8-13
• 1.2.1 气动柔性驱动器的发展及新型驱动器9-11
• 1.2.2 气动柔性驱动器基本特性和模型的研究现状11-12
• 1.2.3 关节康复训练中控制技术的研究现状12-13
• 1.3 课题研究所面临的问题13-14
• 1.4 本课题的主要研究内容14-15
• 2 气动柔性驱动器的静动态特性研究15-33
• 2.1 气动柔性驱动器的静态特性研究15-20
• 2.1.1 气动柔性驱动器的静态输出力模型15-17
• 2.1.2 气动柔性驱动器的静态特性试验和仿真研究17-20
• 2.1.2.1 气动柔性驱动器静态特性试验装置17-18
• 2.1.2.2 等压特性试验结果分析18-19
• 2.1.2.3 等长特性试验结果分析19-20
• 2.1.2.4 等力特性试验结果分析20
• 2.2 气动柔性驱动器控制系统的动态特性研究20-31
• 2.2.1 气动柔性驱动器控制系统的动态数学模型21-25
• 2.2.1.1 气动柔性驱动器的动态特性21-23
• 2.2.1.2 控制阀的流量特性23-24
• 2.2.1.3 负载的动力特性24-25
• 2.2.1.4 气动柔性驱动器控制系统的动态数学模型25
• 2.2.2 气动柔性驱动器控制系统的动态仿真和试验研究25-31
• 2.3 本章小结31-33
• 3 气动柔性驱动器的刚度特性研究33-43
• 3.1 气动柔性驱动器静态刚度模型的研究33
• 3.2 气动柔性驱动器动态刚度模型的研究33-35
• 3.3 对抗安装气动柔性驱动器刚度模型的研究35-36
• 3.4 气动柔性驱动器刚度的仿真和试验研究36-42
• 3.4.1 气动柔性驱动器静态和动态刚度仿真和试验研究36-38
• 3.4.2 对抗安装气动柔性驱动器刚度仿真和试验研究38-42
• 3.4.2.1 对抗安装气动柔性驱动器刚度仿真研究38-40
• 3.4.2.2 对抗安装气动柔性驱动器刚度试验研究40-42
• 3.5 本章小结42-43
• 4 膝关节康复训练的力控制技术研究43-56
• 4.1 膝关节康复训练器的简介43
• 4.2 气缸的力特性研究43-49
• 4.2.1 开环控制的气缸力特性研究43-45
• 4.2.2 PID控制的气缸力特性研究45-49
• 4.2.2.1 PID控制原理45
• 4.2.2.2 PID控制算法45-46
• 4.2.2.3 PID控制参数的确定46-47
• 4.2.2.4 PID控制的气缸试验与结果分析47-49
• 4.3 气动柔性驱动器的力特性研究49-54
• 4.3.1 对抗安装的气动柔性驱动器各参数之间的关系49-52
• 4.3.2 开环控制的气动柔性驱动器力特性研究52-53
• 4.3.3 PID控制的气动柔性驱动器力特性研究53-54
• 4.4 关节康复训练的力控制技术研究54-55
• 4.5 本章小结55-56
• 5 基于气动柔性驱动器的关节康复训练变刚度控制试验研究56-62
• 5.1 关节康复被动训练阶段试验研究56-60
• 5.2 关节康复主动训练阶段试验研究60-61
• 5.3 本章小结61-62
• 6 结论与展望62-64
• 6.1 结论62-63
• 6.2 展望63-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-69
• 附录69

【参考文献】

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  本文关键词：基于气动柔性驱动的膝关节康复训练变刚度控制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：327877