辅助起立康复机器人控制系统的仿真与实验研究

摘要

这些年，我国经济的迅猛发展使人们对生活品质的追求越来越高，残疾人作为一个需要关爱的群体，也受到了极大的关注，各种医疗设备也随之迅速发展。对于下肢残疾病人和老年人来说，要想独立完成起立动作是有困难的，甚至是无法完成的，因此，辅助起立康复机器人等康复设备便应运而生。本研究依照下肢残疾病人和老年人的起立需要，设计了包括机器人机械本体、控制系统、数据采集系统和功能性电刺激部件组成的辅助起立康复机器人系统，并对其控制系统进行了仿真和实验研究。
　　首先对健康人的起立过程进行了运动学分析，对人体进行了简化和建模，对辅助起立康复机器人和在其帮助下的人体起立过程进行了动力学分析。这些结果为下肢残疾病人和老年人的起立过程分析提供了参考依据。
　　构建了辅助起立康复机器人控制系统，结合人体生理特征，提出了控制系统输入数据的选择原则；在数据采集部分，对起立过程中手臂支承力、足底支承力及髋关节处的支承力等信号进行了分析，并设计了低通滤波器对信号进行降噪处理；进行了功能性电刺激辅助起立功能康复技术的研究，分析了功能性电刺激作用原理，建立了刺激—肌肉力模型，编写了刺激器的运行程序。
　　为了获取辅助起立康复机器人中伺服电机和驱动器的参数，对整个系统进行了系统辨识，包括辨识类型的选择、辨识实验的设计、输入信号的选择、模型的辨识算法、模型的检验等方面；在建立了系统模型之后，对其进行了RST控制器的设计，并对极点进行了配置，完成了整个系统的控制器的设计。
　　选取实验者进行辅助起立康复机器人的实验，对实验者的身体基本参数进行了测量和计算；针对选定的实验者，选择功能性电刺激的参数，对刺激—肌肉力模型进行了仿真，并选取和仿真相同的电刺激参数，通过数据采集系统，获得了在起立过程中实验者的手臂处、髋关节和脚底处的受力情况，并据此提出了一种实时的刺激方案。

目录

辅助起立康复机器人控制系统的 仿真与实验研究

SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY ON CONTROL SYSTEM OF ASSISTED STANDING-UP REHABILITATION ROBOT

摘 要

Abstract

目 录

第 1 章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究的意义

1.3 下肢辅助康复机器人的发展

1.4 本课题主要研究内容

第 2 章 起立过程的运动学及动力学分析

2.1 人体下肢肌肉知识简介

2.2 正常人体起立运动过程的运动学分析

2.3 辅助起立过程中人体的动力学分析

2.4 辅助起立康复机器人的动力学模型

2.5 本章小结

第 3 章 辅助起立康复机器人系统的构建

3.1 系统的总体安排及机械本体

3.2 控制数据的选择与分析

3.3 采集信号的分析与处理

3.4 电刺激部分

3.5 本章小结

第 4 章 系统辨识及控制器设计

4.1 系统辨识

4.2 RST 控制器设计

4.3 本章小结

第 5 章 刺激—肌肉力模型的仿真与实验研究

5.1 实验对象的选取

5.2 刺激—肌肉力模型仿真

5.3 实验部分

5.4 刺激方案的提出

5.5 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢

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