气动并联式踝关节康复机器人的研究

摘要

踝关节是是人体负重最大的关节，也是人体下肢运动的关键关节，在人类的日常生活中起着关键作用。目前，由于人口老龄化的加重，交通工具的快速发展以及人们生活节奏的加快，踝关节的损伤在日常生活中较为常见。康复机器人能够帮助肢体活动障碍的患者完成多种功能性训练，是一种新型机器人。利用康复机器人对踝关节进行康复训练，可以将康复医师从繁重的康复工作中解放出来，并且利于康复效果的评估和康复方案的修正，具有一定的实用价值和良好的应用前景。
　　本文首先依据解剖学、康复医学、临床医学等方面的知识，对踝关节的生理结构、运动形式和损伤类型进行了分析。针对踝关节损伤的类型和原因，阐述了踝关节的康复治疗方法。对踝足的运动模式进行简化，并针对踝关节不同康复阶段的要求，阐述了三种不同的控制策略。提出了对康复机器人的要求，确定了踝关节康复训练的目标。
　　其次，对气动六自由度并联踝关节康复机器人的基础理论进行了分析，主要包括对康复机器人运动学以及人机系统动力学的分析。并在此基础上，借助Matlab强大的建模与仿真功能，在Matlab/Simulink环境下搭建了气动控制系统模型、基于SimMechanics的机器人动力学模型和气动-机械整体机器人控制系统模型，并对并联机器人的频率特性、时域特性以及康复机器人的工作空间进行了分析。
　　然后，针对踝关节三个不同的康复阶段，详细分析了轨迹跟踪控制、阻抗控制和踝关节主动运动控制三种不同的控制策略。建立了基于Matlab/Simulink的控制系统仿真模型，并对系统进行仿真，然后主要对阻抗控制的效果、阻抗控制器参数变化对阻抗控制的影响进行了分析。针对踝关节主动运动控制系统，对系统中的多余力进行了仿真分析，并采用结构不变性原理对其进行消除。
　　最后，对实际踝关节参数（主要是刚度系数和阻尼系数）随关节角度的变化情况进行了分析，并根据以上三种控制策略的控制规律对实际踝关节进行仿真分析，结果证明了这三种控制策略的可行性和有效性。

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目录

第1章 绪 论

1.1课题研究的背景及意义

1.2踝关节康复机器人发展现状

1.3并联机器人力控制研究概况

1.4本文的主要研究内容

第2章 踝关节康复基础理论及康复机器人总体功能要求

2.1引言

2.2踝关节的生理结构及其运动分析

2.3踝关节的损伤及其原因

2.4踝关节的康复治疗

2.5踝关节康复机器人系统控制方案

2.6对踝关节康复机器人的要求

2.7本章小结

第3章 踝关节康复机器人基础理论与仿真分析

3.1引言

3.2踝关节康复机器人建模与仿真分析

3.3本章小结

第4章 踝关节康复机器人控制策略研究

4.1引言

4.2轨迹跟踪控制

4.3阻抗控制

4.4踝关节主动运动控制

4.5本章小结

第5章 变参数踝关节康复训练仿真研究

5.1引言

5.2踝关节运动参数分析

5.3仿真分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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