下肢康复机器人控制系统及控制策略研究

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。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 下肢康复机器人发展概述

1.3 机器人力控制策略发展概述

1.4下肢康复机器人发展趋势概述

1.5 本文主要研究内容

第2章 下肢康复机器人控制系统设计

2.1 引言

2.2下肢康复机器人机械结构

2.3下肢康复机器人控制系统安全性要求

2.4下肢康复机器人硬件系统

2.5下肢康复机器人软件系统

2.6下肢康复机器人电磁兼容

2.7 本章小结

第3章 下肢康复机器人变工作空间轨迹规划

3.1 引言

3.2 运动学分析

3.3 变工作空间求解

3.4 训练轨迹设计

3.5 训练速度与加速度设计

3.6 本章小结

第4章 下肢康复机器人控制策略研究

4.1 引言

4.2 下肢康复机器人仿真模型

4.3 下肢康复被动训练控制策略

4.4 下肢康复机器人助力训练控制策略

4.5 下肢康复机器人主动训练控制策略

4.6 本章小结

第5章 下肢康复机器人实验研究

5.1 引言

5.2 控制系统基础实验

5.3 轨迹跟踪实验

5.4 被动训练控制策略实验

5.5 助力训练控制策略实验

5.6 主动训练控制策略实验

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研项目与主要成果

致谢