助行动力外骨骼机器人控制技术研究

摘要

随着全球老龄化不断加剧与自然灾害不断增多，因中风和自然灾害而引起截瘫患者人数不断增多。在我国，下肢截瘫患者数量庞大，能进行现有人工的治疗患者很少，这将会导致截瘫患者终生躺在床上不能进行站立行走。助行动力外骨骼作为一种提供外动力驱动关节机器人装置，可为截瘫患者提供起坐、助力、助步、助行等功能，帮助其重新站立、行走，完成日常的基本活动，这对我国医疗服务事业具有重要的意义。
　　本文针对现有助行动力外骨骼机器人外形庞大、体积笨重、穿戴舒适性较差、步态轨迹控制与人机协调等相关研究不够完善等不足，在机器人结构、建模与仿真、控制系统等方面进行了详细的理论分析与相关实验研究。
　　从四种不同角度介绍了国内外助行外骨骼发展现状并对其进行总结，概括了今后应发展助行外骨骼的关键技术。根据人体下肢生理结构特点及下肢康复训练分析，设计了助行动力外骨骼机器人总体结构方案与总体控制方案，在总体方案基础上提出了机器人安全策略。
　　根据机器人结构设计，对助行动力外骨骼机器人进行了运动学与动力学建模及仿真分析，且进行了伺服控制仿真。并对机器人控制系统硬件与软件进行详细的设计，在此基础上，对控制系统安全保护进行了设计。
　　经过上述研究设计，研制出助行动力外骨骼机器人实验样机，基于DSPACE半物理仿真平台对机器人系统进行了实验研究，主要包括：伺服控制实验、单腿控制实验、双腿控制实验、不同运动模式的轨迹控制实验以及人机实验研究。

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第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究目的及意义

1.3 国内外研究现状与分析

1.4 下肢外骨骼机器人的关键技术分析

1.5 主要完成工作

第2章 机器人总体方案设计

2.1 引言

2.2 人体下肢结构介绍

2.3 下肢康复训练分析

2.4 机器人总体机械结构方案

2.5 控制方案的设计要求

2.6 机器人总体控制方案设计

2.7 机器人的安全策略

2.8 本章小结

第3章 机器人建模及仿真分析

3.1 引言

3.2 机器人运动学分析

3.3 机器人动力学仿真分析

3.4 基于Simulink和SimMechanics联合伺服控制仿真

3.5 本章小结

第4章 机器人控制系统设计

4.1 引言

4.2 控制系统硬件设计

4.3 控制系统软件设计

4.4 控制系统安全保护

4.5 本章小结

第5章 机器人实验研究

5.1 引言

5.2 实验平台简介

5.3 伺服控制系统实验研究

5.4 单腿步态控制实验研究

5.5 双腿步态控制实验研究

5.6 机器人运动控制实验

5.7 人机实验研究

5.8 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