基于LABVIEW的绳索牵引下肢康复机器人控制研究

摘要

近年来，随着下肢运动功能障碍患者数量的增加，康复机器人越来越多地应用于下肢康复领域。绳索牵引康复机器人结构简单、负载高、工作范围大，运动速度快，在康复领域具有越来越高的使用价值。与传统的肢体康复治疗相比，采用机器人控制可以有效提高康复训练的效果，降低人力成本，还可针对患者自身的差异以及主观意愿改变机器人的训练方法及康复策略。运动控制卡的使用亦提高了机器人的交互性和可靠性。因此，康复机器人的控制研究在提高机器人性能方面具有重要意义。
　　本文主要研究内容如下：
　　首先，综合国内外绳索牵引康复机器人的构型特点，提出了绳索牵引下肢屈伸—内收外展两用康复机器人结构方案。该机器人采用上位机使用工业控制计算机，下位机采用电机带动绳索，利用LabVIEW软件和运动控制卡、数据采集卡相配合。考虑到机器人的康复效果，采用力、速度双闭环控制策略。
　　其次，对康复机器人进行了运动学和动力学分析。运动学分析以人体下肢简化模型为基础，利用关节角度变化规律及机器人的几何结构，计算得出一个周期内电机转速的变化规律。动力学分析拟合了关节转矩和功率数据，利用拉格朗日法以及功率法计算出系统输出力的变化规律，并根据步态周期内不同阶段的特点将拉力分配到每根绳索上。并对关节轨迹、电机转速以及系统输出力进行了仿真。
　　再次，对机器人的控制系统进行研究。机器人采用LabVIEW软件编程以实现其各项功能。对于电机的变速运动，分析了运动控制卡所能实现的不同的控制方法，得到最合适的电机变速运动程序。拉力传感器所读取的拉力利用数据采集卡采集，利用于力控开关、力控变速以及力反馈程序。
　　最后，针对样机系统进行实验研究。实验对驱动器的参数进行了整定，对拉线传感器进行标定。同时，对于LabVIEW软件编程部分所提出的控制策略进行测试与调试，并验证其有效性和可行性。

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第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题的目的和意义

1.3 下肢康复机器人研究进展

1.4 康复机器人控制系统概述

1.5 论文研究的主要内容

第2章 绳索牵引下肢康复机器人的结构及控制方案

2.1 引言

2.2 绳索牵引康复机器人的结构方案

2.3 绳索牵引康复机器人的控制方案

2.4 绳索牵引康复机器人的控制策略

2.5 本章小结

第3章 绳索牵引下肢康复机器人的运动学与动力学分析

3.1 引言

3.2 康复系统的运动学分析

3.3 下肢运动的动力学分析

3.4 运动分析仿真

3.5 本章小结

第4章基于LABVIEW的助力控制系统研究

4.1引言

4.2 运动控制卡的编程策略

4.3 数据采集与助力控制编程策略

4.4 主面板

4.5 本章小结

第5章实验研究

5.1 引言

5.2 驱动器的设置与测试

5.3 拉线传感器标定实验

5.4 程序测试实验

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

致谢