下肢康复机器人惯性参数辨识及模糊主从控制方法研究

摘要

正常行走过程中人体上、下肢的运动存在一定的关联性，利用这种关联性可以建立行走过程中上、下肢之间的映射关系，利用这种映射关系可以对偏瘫患者受损的肢体进行主从控制康复训练。其中，健康的上肢作为主手，对侧受损的下肢作为从手，用健康的肢体控制受损的肢体来进行康复训练。
　　提出由上肢控制下肢的康复训练理念，设计病人康复训练方案，根据康复训练方案设计控制方案及相应的传感器布置方案，进而设计出下肢康复机器人的整体结构及主动关节、人机接触部位等的机械结构。
　　基于上肢控制下肢的康复训练理念，需要分析上、下肢的运动关系。人体上、下肢具有相同的运动机构，因而具有相同的运动学理论模型。分别以上肢肩关节、下肢髋关节为原点建立统一的单侧肢体的3自由度运动学、逆运动学及动力学模型，通过Adams与 Matlab软件仿真验证逆运动学模型及动力学模型的正确性。以支撑脚为原点建立双侧下肢的6自由度运动学、动力学模型，通过Adams与Matlab软件仿真验证运动学模型、动力学模型的正确性。
　　为精确建立人体下肢的动力学模型，需要辨识下肢的惯性参数。采用顺序辨识的方法，先辨识出人体下肢的质量、质心，再根据质量、质心的辨识结果辨识人体下肢的转动惯量。在辨识过程中先辨识小腿和脚的惯性参数，再辨识大腿和小腿惯性参数的组合值，最后根据刚体的质量几何关系计算大腿的质量、质心、转动惯量等惯性参数。基于 Matlab软件搭建用于惯性参数辨识的 Simulink仿真模型，验证本文提出的惯性参数辨识方法的有效性。
　　为实现上肢控制下肢的康复训练理念，需要建立人体上、下肢运动之间的映射关系。通过步态测量实验测量正常行走状态下人体上肢肩、肘关节和下肢髋、膝关节转角，分析人体上、下肢的步态运动轨迹，采用模糊化的方法建立上肢手腕运动与下肢脚踝运动之间的主从映射关系，基于 Matlab软件对本文所建立的上、下肢运动之间模糊主从映射关系进行仿真。

目录

声明

第1章绪论

1.1课题研究目的与意义

1.2下肢康复机器人研究现状

1.3康复机器人主从控制及惯性参数辨识研究现状

1.4论文研究的主要内容

第2章康复训练总体方案与下肢康复机器人结构设计

2.1引言

2.2康复训练总体方案

2.3康复机器人结构设计

2.4本章小结

第3章康复机器人运动学及动力学分析

3.1引言

3.2单侧肢体运动学分析

3.3单侧肢体动力学分析

3.4双侧下肢运动学分析

3.5双侧下肢动力学分析

3.6本章小结

第4章人体下肢惯性参数辨识方法研究

4.1引言

4.2人体下肢惯性参数辨识方法研究

4.3惯性参数辨识方法的仿真验证

4.4本章小结

第5章康复机器人模糊主从控制方法研究

5.1引言

5.2模糊主从控制方式分析

5.3步态测量实验及人体上下肢步态运动分析

5.4模糊主从映射方法研究

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果表

致谢