手臂康复训练机构及其测控系统研究

摘要

随着康复医学、控制技术与机器人技术的研究和发展，康复训练器械越来越多地在医疗领域展开应用。康复训练器械针对有运动障碍的患者，在不同的康复训练模式下辅助患肢进行康复训练运动，实现患肢肌肉锻炼、运动训练以及神经功能的恢复训练，使患肢达到逐步康复的目的。
　　目前，国外上肢康复设备存在控制复杂、价格高昂等缺点，而国内大部分的上肢康复训练设备训练运动局限于水平面内，无法对重力场内的手臂运动进行训练。有鉴于此，论文开发一种矢状面内2-DOF手臂康复训练机构，使用ARM计算机控制关节电机实现机械臂运动，可以对肩关节和肘关节进行康复训练。论文主要完成如下工作。
　　1）设计了手臂康复训练机构总体方案，主要包括机械结构、测控系统方案、传感器的布置、电机选型及驱动方案等。根据方案要求，设计了手臂康复训练机构的机械平台。
　　2）研究了测控系统数据采集与处理、电机驱动与控制等技术，使用多维力传感器检测人机作用力，设计了手臂康复训练机构的测控平台，其硬件电路包括：传感器信号调理电路、AD转换电路、编码器信号处理电路、电机驱动电路和电源电路等。
　　3）针对手臂康复训练机构的被动运动康复训练模式，在手臂康复训练机构连杆结构坐标系下，建立手臂康复训练机构运动学和动力学模型，并完成仿真分析。在被动运动训练模式下，设计了轨迹控制器，进行了轨迹控制的仿真和实验，结果表明，肩部运动轨迹误差范围为-1°~2°之间，肘部运动轨迹误差范围为-2°~2°，达到康复训练要求。
　　4）为保护患肢和机械臂，使人机作用力在安全范围内，对康复训练机构的柔顺控制进行了分析，对基于位置的阻抗控制法进行建模和仿真，并进行了实验。仿真和实验结果表明，阻抗控制法能够将人机作用力调整在预定的-3N□m~3N□m范围内，避免对患肢形成二次伤害，使康复训练机构更加人性化。

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第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外发展现状

1.3 论文的研究内容和结构

第2章 手臂康复训练机构系统设计

2.1 机械臂结构设计

2.2 测控系统设计

2.3 数据采集电路板设计

2.4 电机驱动电路

2.5 电源模块

2.6 小结

第3章 手臂康复训练机构控制模式和控制策略

3.1 手臂康复训练机构的控制模式

3.2 系统运动学和动力学分析与仿真

3.3 康复训练轨迹控制

3.4 康复训练机构柔顺控制的研究与仿真

3.5 小结

第4章 康复训练机构控制实验

4.1 实验目的

4.2 实验内容与分析

4.3 小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献