下肢康复机器人控制系统及控制策略研究

发布时间：2017-08-13 23:10

  本文关键词：下肢康复机器人控制系统及控制策略研究

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【摘要】：随着自然灾害的频发和老龄化程度的加剧,我国存在大量的下肢运动功能障碍病人,对于康复机器人有着迫切的需求。在这样的背景下,针对本课题组设计的下肢康复机器人,本文进行了控制系统、变工作空间轨迹规划、控制策略以及实验四个方面的研究。首先,为了提高下肢康复机器人的安全性,设计了电气、软件两重安全限位。从康复机器人实际需求出发,搭建了功能全面的硬件系统。设计了集多种模式康复训练、病人信息管理、用户信息管理等功能于一体的软件系统。经过对下肢康复机器人的整改,使其通过了电磁兼容测试。其次,以病人大小腿腿长、关节活动范围为变量,对变工作空间进行了求解,设计了圆周、直线两种系统轨迹。为满足个别病人对训练轨迹的特殊要求,设计了图形示教模式,可以绘制圆周、直线、任意曲线轨迹。为了平稳地实现训练轨迹,对位移、速度、加速度进行了多项式插值。再次,设计了被动训练、助力训练、主动训练三种训练方法。将阻抗控制策略应用于被动训练中,当病人作用力突变时,能够提高下肢康复机器人的柔顺性,对病人进行保护。在助力训练中,以阻抗模型为基础,设计了辅助力,达到了针对不同病人给予不同辅助力的目的。主动训练时,下肢康复机器人利用沙土模型模拟沙土环境,使病人能够感受不同硬度的沙土环境。并对三种训练方法分别进行了仿真,分析了对应控制策略中参数的影响。最后,进行了下肢康复机器人实验研究。基础实验部分进行了扭矩传感器滤波、重力参数计算、腿长计算实验。控制策略实验部分进行了被动训练、助力训练、主动训练实验,对相应控制策略进行了验证。
【关键词】：控制系统 变工作空间 轨迹规划 控制策略
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究的背景及意义10
• 1.2 下肢康复机器人发展概述10-13
• 1.2.1 国外下肢康复机器人发展概述10-13
• 1.2.2 国内下肢康复机器人发展概述13
• 1.3 机器人力控制策略发展概述13-15
• 1.4 下肢康复机器人发展趋势概述15
• 1.5 本文主要研究内容15-17
• 第2章 下肢康复机器人控制系统设计17-37
• 2.1 引言17
• 2.2 下肢康复机器人机械结构17-18
• 2.3 下肢康复机器人控制系统安全性要求18-22
• 2.4 下肢康复机器人硬件系统22-26
• 2.5 下肢康复机器人软件系统26-32
• 2.6 下肢康复机器人电磁兼容32-36
• 2.7 本章小结36-37
• 第3章 下肢康复机器人变工作空间轨迹规划37-59
• 3.1 引言37
• 3.2 运动学分析37-38
• 3.3 变工作空间求解38-42
• 3.4 训练轨迹设计42-48
• 3.4.1 系统轨迹模式42-46
• 3.4.2 图形示教轨迹模式46-48
• 3.5 训练速度与加速度设计48-58
• 3.5.1 直线轨迹速度与加速度设计48-52
• 3.5.2 圆周轨迹速度与加速度设计52-55
• 3.5.3 任意轨迹速度与加速度设计55-58
• 3.6 本章小结58-59
• 第4章 下肢康复机器人控制策略研究59-76
• 4.1 引言59
• 4.2 下肢康复机器人仿真模型59-64
• 4.3 下肢康复被动训练控制策略64-69
• 4.3.1 阻抗控制策略64-66
• 4.3.2 阻抗参数影响分析66-67
• 4.3.3 被动训练阻抗控制策略仿真67-69
• 4.4 下肢康复机器人助力训练控制策略69-72
• 4.4.1 轨迹训练辅助力设计69-70
• 4.4.2 助力训练控制策略实现方法70-71
• 4.4.3 助力训练控制策略仿真71-72
• 4.5 下肢康复机器人主动训练控制策略72-75
• 4.5.1 沙土模型72-73
• 4.5.2 主动训练沙土模型控制策略73-74
• 4.5.3 主动训练沙土模型控制策略仿真74-75
• 4.6 本章小结75-76
• 第5章 下肢康复机器人实验研究76-92
• 5.1 引言76
• 5.2 控制系统基础实验76-83
• 5.2.1 扭矩传感器滤波实验76-77
• 5.2.2 腿长计算实验77-78
• 5.2.3 座椅调节实验78
• 5.2.4 病人作用力近似计算78-83
• 5.3 轨迹跟踪实验83-87
• 5.4 被动训练控制策略实验87-89
• 5.5 助力训练控制策略实验89-90
• 5.6 主动训练控制策略实验90-91
• 5.7 本章小结91-92
• 结论92-94
• 参考文献94-99
• 攻读硕士学位期间承担的科研项目与主要成果99-100
• 致谢100

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1 王耀兵,季林红,黄靖远;一种神经康复机器人的研制[J];机械科学与技术;2005年02期

2 李庆玲;孙立宁;杜志江;;上肢康复机器人发展现状的分析与研究[J];机械设计;2008年09期

3 ;下肢康复机器人[J];中国医疗器械杂志;2012年06期

4 杨启志;曹电锋;赵金海;;上肢康复机器人研究现状的分析[J];机器人;2013年05期

5 高从军;欧洲康复机器人发展现况及前景[J];机器人技术与应用;1999年05期

6 程明,任宇鹏,高小榕,王广志,季林红,高上凯;脑电信号控制康复机器人的关键技术[J];机器人技术与应用;2003年04期

7 杜志江,孙传杰,陈艳宁;康复机器人研究现状[J];中国康复医学杂志;2003年05期

8 徐国政;宋爱国;李会军;;康复机器人系统结构及控制技术[J];中国组织工程研究与临床康复;2009年04期

9 邢科新;黄剑;徐琦;何际平;姜军庆;;手功能康复机器人的鲁棒控制研究[J];计算技术与自动化;2009年01期

10 刘攀;张立勋;王克义;张今瑜;;绳牵引康复机器人的动力学分析与控制[J];中国机械工程;2009年11期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 郭学军;;下肢康复机器人的临床研究与未来展望[A];2012中国康复医学会实用康复论坛暨运动康复新理念培训班资料汇编[C];2012年

2 王俊华;;康复机器人发展概况[A];中国康复医学会脑血管病专业委员会换届暨第十五次全国脑血管病康复学术年会、湖南省康复医学会神经康复专业委员会2012学术年会论文集[C];2012年

3 毕胜;季林红;纪树荣;;神经康复机器人研究进展[A];第四届全国康复治疗学术大会论文摘要汇编[C];2004年

4 吴军;黄剑;王永骥;;集成运动意图辨识与虚拟现实环境的上肢康复机器人[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年

5 毕胜;;康复机器人训练技术[A];中国康复医学会运动疗法分会第十一届全国康复学术大会学术会议论文摘要汇编[C];2011年

6 陈勃帆;杨俊友;王硕玉;白殿春;;全方位下肢康复机器人逆运动学研究[A];第十一届沈阳科学学术年会暨中国汽车产业集聚区发展与合作论坛论文集（信息科学与工程技术分册）[C];2014年

7 白跃宏;徐义明;殷跃红;;下肢外骨骼康复机器人研制[A];中国康复医学会运动疗法分会第十一届全国康复学术大会学术会议论文摘要汇编[C];2011年

8 万大千;徐义明;白跃宏;;下肢外骨骼康复机器人研究进展[A];中国康复医学会运动疗法分会第十一届全国康复学术大会学术会议论文摘要汇编[C];2011年

9 白跃宏;徐义明;殷跃红;范渊杰;;下肢外骨骼康复机器人研制及临床应用[A];第20届中国康协肢残康复学术年会论文选集[C];2011年

10 许光旭;;步态训练的新选择——LokoHelp康复机器人[A];首届全国脑外伤治疗与康复学术大会论文汇编（上）[C];2011年

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1 记者 刘云丽 实习生 李小蕾;我市一民企原创研发的项目填补国内相关领域空白[N];安阳日报;2012年

2 杨红军　曹洪田 王婷;科技创新攀新高 华丽转身上精品[N];江苏经济报;2010年

3 记者 陈建强 通讯员 靳莹;“纯意念控制”人工神经康复机器人问世[N];光明日报;2014年

4 通讯员 靳莹 记者 冯国梧;“纯意念控制”人工神经康复机器人问世[N];科技日报;2014年

5 记者 赵晖;瘫痪人士只要一“想”就能动[N];天津日报;2014年

6 佘惠敏;期待更多的“神工一号”[N];经济日报;2014年

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1 纪雯;五自由度上肢康复机器人训练方案及评价系统的研究[D];东北大学;2014年

2 孟凡成;上肢康复机器人的增强学习控制方法研究[D];北京理工大学;2015年

3 邢科新;手功能康复机器人系统若干关键技术研究[D];华中科技大学;2010年

4 孙洪颖;卧式下肢康复机器人研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

5 吴军;上肢康复机器人及相关控制问题研究[D];华中科技大学;2012年

6 姜莹;全方位移动下肢康复机器人的运动控制方法研究[D];沈阳工业大学;2013年

7 杨勇;手臂康复机器人系统研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

8 史小华;坐/卧式下肢康复机器人研究[D];燕山大学;2014年

9 李醒;五自由度上肢康复机器人训练系统的研究[D];东北大学;2012年

10 罗东峰;桌面式上肢康复机器人控制研究[D];中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所);2012年

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1 李齐;基于加速度计的下肢康复机器人示教训练应用研究[D];燕山大学;2015年

2 梁霞;基于并联机构的腿部康复机器人运动单元研究[D];河北联合大学;2014年

3 秦江伟;被动式上肢康复机器人虚拟现实控制系统开发[D];大连海事大学;2015年

4 褚亚奇;基于患者疼痛感的康复机器人系统控制方法研究[D];沈阳理工大学;2015年

5 宋新旺;上肢运动功能康复机器人系统的研究与开发[D];上海应用技术学院;2015年

6 张莹;上下肢协同康复机器人的研究[D];上海交通大学;2015年

7 张瑞雪;三自由度主动式上肢康复机器人结构设计与开发[D];大连海事大学;2015年

8 周海涛;下肢外骨骼康复机器人结构设计及控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

9 王翔宇;基于主动康复策略的手部外骨骼机器人控制与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

10 徐文墨;基于sEMG的上肢康复机器人控制系统研究[D];华北理工大学;2015年

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