3-RSS/S踝关节康复并联机器人运动和力控制的研究

摘要

踝关节是人体的重要关节之一，人体的大部分活动都离不开踝关节，包括人的站立、行走、下蹲、跑跳等动作。踝关节损伤是人们日常生活中经常遇到的，严重影响人们的生活和工作。如果不及时的得到治疗，将会留下后遗症。通过大量的临床实验，发现踝关节康复并联机器人能很好的帮助患者康复。目前，国内外已经开展了踝关节康复并联机器人的研究，并取得了很多的成果。下面就本课题研究的主要任务作一些介绍。
　　 首先，通过参考国内外关于踝关节康复机器人控制的相关文献，在踝关节损伤的机理和康复方法的基础上，对其控制模式进行设定，分为被动运动、助力运动、主动运动、抗阻运动四种康复模式。在此基础上，对动平台的运动轨迹进行规划，主要包括运动路径、可达位置空间分析。轨迹规划是实现康复并联机器人运动控制和力控制的基础。
　　 其次，在实现康复并联机器人的力控制过程中，必须建立力反馈模型。由于踝关节运动的特殊性，决定了其运动速度低、惯性力小等特点，采用分析矢量法对康复并联机器人进行静力学分析，建立曲柄、动平台的平衡方程。其与动平台的运动有着密切的关系，利用“速度雅克比矩阵和力雅克比矩阵互为转置矩阵”这一定理，把运动学分析的结果转换到静力平衡上来。力反馈模型是实现力控制的关键。
　　 另外，在基于康复并联机器人的机构本体上，对其进行控制系统设计。在硬件系统设计方面，选择PMAC 运动控制器、驱动器、位置传感器和六维力矩传感器等，对其进行实验调试。根据康复机器人控制模式，设计出硬件系统。同时，选择合适的康复策略，在基于神经网络实现康复机器人的运动控制和力控制，满足踝关节康复的要求。在软件系统设计方面，规划出软件系统总体结构，主要包括用户模块、数据模块、通讯模块和运动和力控制模块。用户模块主要提供了人机交互界面等；数据模块主要是记录机器人运动过程中角度，速度和力等信息；通讯模块主要是完成上位机与下位机的通讯，力传感器与上位机的通讯；控制模块主要是编制和存储运动控制和力控制程序，是软件设计的核心和难点。
　　 最后，进行实验调试，检验康复机器人是否满足踝关节康复的要求，验证机器人是否能在满足要求的情况下实现运动和力控制。