安全中医按摩机器人臂系统与控制策略研究
发布时间：2017-05-03 15:00
本文关键词：安全中医按摩机器人臂系统与控制策略研究，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：随着人民生活水平的提高,人们对中医按摩的需求也随之增多,而合格医师的数量增长缓慢,导致医患比例严重失调,医患矛盾日渐突出。机器人具有定位准确、智能化程度高且不知疲倦等特点,是实现主动、自动化按摩最有效的手段之一。随着国家对按摩机器人研究支持力度的增大,按摩机器人的相关技术研究也逐渐成为近几年关注的焦点之一。我国对中医按摩机器人研究起步较晚,虽然已经取得了一些阶段性的成果,但由于受到安全性、有效性和可接受性等多方面的质疑,使该机器人无法真正实现产品化与市场化。按摩机器人需要与人类进行物理接触。因此,安全性是重要的技术指标之一。为了研制可进行安全中医按摩的机器人,应突破传统机器人的设计框架,从机器人的机构、建模和控制等多方面进行深入探索研究,从而使机器人能够安全有效地完成按摩作业任务。本文在国家自然基金项目“仿人机器人双臂动力学与柔顺运动控制”、北京市科技新星计划“传统中医按摩的生物力学理论与按摩机器人研究”以及北京市科委项目“腰痛中医点按机器人的研究”3个项目的资助下,开展了兼具安全性和有效性的中医按摩机器人原理样机的研发工作。论文的主要研究内容和取得的成果如下:1.结合按摩机器人的实际技术需求,设计和搭建了中医按摩机器人平台,并对机器人的机构、硬件电路、控制系统的实现以及安全保障体系等方面进行了全面地研究。2.提出了一种新型的模块化机电一体化柔性关节,该关节内部具有弹性单元,一方面,能够使关节实现对外力的缓冲,另一方面,能够实现关节力矩闭环,降低电机的惯量,使机械臂的输出呈现低阻抗的特性,从而在机器人的关节设计上确保机械臂与用户的接触时的安全性。另外,采用成熟的设计准则设计机器人本体的机构,实现了连杆的轻量化和高性能,有效地降低了连杆的惯量带来的影响,提高了机器人的安全性,并利用有限元方法进行了关键部位的强度和刚度校核。3.从控制模型的角度出发,分别对机器人本体的数学模型和机器人按摩过程的动力学模型的建立进行深入研究。在机器人本体建模方面,完成对机器人的正逆运动学的推导和工作空间的计算,并依据动力学理论中的牛顿-欧拉迭代法对机器人动力学进行了研究,然后通过仿真验证了机器人作业能力。在机器人按摩过程的动力学方面,本文采用基于端口Hamilton理论的建模方法完成了机器人按摩过程动态描述。通过引入了基于端口的建模理念,利用Dirac结构和Hamilton力学理论分别建立了人体和机器人的动力学模型,并完成对人体黏弹性模型和摩擦模型建立的探讨,最终,得到了能够准确刻画机器人按摩过程的动力学模型。4.在机器人动力学模型的基础上,完成了机器人的控制系统的设计并开展了针对机械臂作业过程中安全按摩控制策略的研究探索。一方面,根据机器人的动力学模型,完成了面向中医按摩的阻抗控制策略的研究,并利用无源性理论对机器人与用户接触过程中的耦合稳定性进行了分析。另一方面,围绕的按摩机器人作业过程中的安全按摩控制策略进行了相关研究。本文设计了物理接触函数与物理接触识别向量完成了对发生物理接触的机械臂关节的定位和检测,制定了机器人的反应机制以及形成了安全按摩控制策略,并完成了机器人安全按摩控制器的设计。5.本文搭建了基于一体化柔性关节和中医按摩机器人的两个实验平台,并在这两个平台上开展实验研究,研究内容包括按摩手法力学参数的科学提取、机器人特性实验研究、安全按摩控制策略实验验证和中医按摩机器人按摩效果验证。实验结果表明中医按摩机器人平台能够安全且有效的完成点按、指揉和弹拨3种中医手法,本文所设计的安全中医按摩机器人臂系统能够满足中医按摩的技术需求。本论文在安全中医按摩机器人臂系统构建、数学模型的建立、基于无源性的阻抗控制策略和安全性控制策略等方面的研究和探讨,为进一步研究按摩机器人技术奠定了基础。同时论文的研究成果也为按摩机器人市场化提供了理论支撑。
【关键词】：安全中医按摩机器人 模块化一体化柔性关节设计 端口Hamilton系统 无源性控制 安全按摩控制策略
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：
- 摘要6-8
- Abstract8-14
- 第1章 绪论14-27
- 1.1 概述与研究意义14-15
- 1.2 中医按摩机器人的技术需求15
- 1.3 按摩机器人国内外发展现状15-21
- 1.3.1 国际上按摩机器人发展现状15-19
- 1.3.2 国内中医按摩机器人发展现状19-21
- 1.4 可进行安全物理人-机接触（PHRI）的机器人现状21-25
- 1.5 本文的主要研究内容25-27
- 第2章 中医按摩机器人臂系统的搭建设计27-58
- 2.1 常用的中医按摩手法的运动分析27-28
- 2.2 中医按摩机器人的机构设计28-42
- 2.2.1 机电一体化柔性关节29-37
- 2.2.2 中医按摩机器人臂的本体设计与连杆的有限元分析37-42
- 2.3 硬件电路设计42-47
- 2.3.1 硬件电路外形设计42
- 2.3.2 硬件电路的功能设计42-45
- 2.3.3 硬件电路保护设计45-47
- 2.4 控制系统的实现47-54
- 2.4.1 控制系统的组成47
- 2.4.2 基于SOPC的控制系统的搭建47-50
- 2.4.3 控制系统的软件实现50-52
- 2.4.4 上位机与下位机的通讯协议设计52-54
- 2.4.5 上位机软件的设计54
- 2.5 机器人的安全保障体系的建立54-57
- 2.5.1 用户保障措施55-56
- 2.5.2 医护人员保障措施56
- 2.5.3 机械系统保护措施56
- 2.5.4 电路保护措施56
- 2.5.5 软件方面保护措施56-57
- 2.6 小结57-58
- 第3章 中医按摩机器人系统的数学模型的建立与仿真58-99
- 3.1 中医按摩机器人本体的数学模型58-89
- 3.1.1 机器人的运动规划与仿真59-75
- 3.1.2 机器人的工作空间分析75
- 3.1.3 机器人的动力学计算与仿真75-89
- 3.2 基于端. HAMILTON理论的机器人按摩的动态分析89-97
- 3.2.1 基于端.的动态系统建模方法89-91
- 3.2.2 基于端. Hamilton理论的机器人按摩动态分析91-97
- 3.3 小结97-99
- 第4章 基于无源性理论的机器人的控制系统设计99-113
- 4.1 无源控制理论的相关知识99-101
- 4.1.1 基于李雅普诺夫稳定性理论99-100
- 4.1.2 系统的耗散性、无源性与与稳定性100-101
- 4.1.3 基于无源性控制方法101
- 4.2 按摩机械臂的阻抗控制技术及其无源性分析101-105
- 4.2.1 柔性关节与柔性机械臂的动力学分析101-102
- 4.2.2 面向中医按摩的阻抗控制技术102-104
- 4.2.3 按摩机械臂控制系统的无源性分析104-105
- 4.2.4 基于用户反馈的适应性调整策略105
- 4.3 机器人的安全按摩控制策略105-111
- 4.3.1 机器人发生物理接触时的反应机制106-107
- 4.3.2 机器人物理接触的检测107-108
- 4.3.3 物理接触的关节定位108-109
- 4.3.4 机器人的安全按摩控制策略109-111
- 4.3.5 机器人的安全按摩控制器设计111
- 4.4 小结111-113
- 第5章 中医按摩机器人系统的实验研究113-127
- 5.1 实验平台的搭建113-115
- 5.1.1 机器人一体化关节实验平台的搭建113-114
- 5.1.2 中医按摩机器人臂系统验证平台的搭建114-115
- 5.2 中医按摩手法的力学参数科学提取115-118
- 5.2.1.在体测量装置和基于假体的按摩力测量装置115-116
- 5.2.2 按摩手法的生物力学参数采集与提取116-118
- 5.3 基于一体化柔性关节的实验研究118-121
- 5.3.1 位置控制的实验研究118-119
- 5.3.2 弹性单元的力矩标定与力矩控制的实验研究119-120
- 5.3.3 关节阻抗控制的实验研究120-121
- 5.4 机器人特性的实验研究121-123
- 5.4.1. 机器人柔顺性实验121-122
- 5.4.2 机器人的安全控制策略验证122-123
- 5.5 中医按摩机器人按摩效果验证123-126
- 5.5.1 在体实验123-124
- 5.5.2 假体实验124-125
- 5.5.3 用户主观评价125-126
- 5.6 小结126-127
- 结论127-130
- 参考文献130-142
- 附录142-146
- 攻读学位期间发表论文与研究成果清单146-147
- 致谢147-148
- 作者简介148
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本文编号：343188
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