三自由度上肢康复机器人训练系统的研究

摘要

目前，随着我国人口老龄化趋势加剧，脑卒中患者的数量不断攀升。脑卒中是由急性脑血管疾病引起的持续性的大脑精神功能缺损。研究表明，神经功能受损后，经过科学的康复训练可使中枢神经系统在结构和功能上具有代偿和重组能力。康复机器人结合了机器人技术和康复医学，可代替医生完成简单、重复的康复训练动作。将虚拟现实技术结合到康复机器人中，可提高患者在康复过程的积极性，积极主动地参与康复训练可以提高患者的治愈率。因此本课题开发的基于虚拟现实技术的三自由度上肢康复机器人具有非常重要的应用前景和研究意义。
　　本文研究了运动康复理论基础，针对康复治疗的阶段不同，提出了主动式和被动式两种康复运动模式。规划了康复机器人在被动模式下的运动路径，设计了直线和圆弧轨迹。利用ADAMS建立上肢康复机器人的虚拟样机，对其进行逆运动学求解，通过分析仿真得到的角度曲线，证明规划的运动轨迹能够满足被动模式的康复训练需求。设计了康复机器人的控制系统，采用“PC+运动控制卡”开放式控制结构。对位置伺服控制系统进行了PID控制器设计，基于ADAMS和MATLAB联合仿真，验证控制器设计的正确性。完成了控制系统的硬件设计和电气设计，设计了被动运动模式中规划轨迹的控制程序，最终实现康复机器人末端按规划的路径运动。将虚拟现实技术与康复机器人结合，针对被动和主动模式的不同，在VC++6.0平台上设计了多款康复训练环境。被动式康复环境主要是对关节活动度进行康复训练;主动式康复环境主要是锻炼患肢的运动准确性、稳定性，该环境是结合实际生活场景开发的，有助于将锻炼得到的能力用于实际生活中。对搭建的康复机器人样机进行调试，实验证明康复机器人末端能够实现规划的运动轨迹，同时完成了虚拟环境与康复机器人的通讯。文中所做的工作，为后续康复机器人远程控制和康复评价奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 偏瘫康复的理论基础

1．3．1 康复理论依据和康复治疗方法

1．3．2 康复评定方法

1．3．3 康复治疗原则

1．4 上肢康复机器人的设计要求

1．5 论文研究的目的和内容

1．5．1 论文研究目的

1．5．2 论文研究内容

第2章 上肢康复机器人末端运动轨迹规划

2．1 引言

2．2 上肢康复机器人系统构建

2．3 上肢康复机器人机械结构整体方案

2．4 上肢康复机器人末端工作空间

2．5 上肢康复机器人运动学分析

2．5．1 运动学分析的意义

2．5．2 上肢康复机器人正运动学分析

2．5．3 上肢康复机器人逆运动学分析

2．6 三自由度上肢康复机器人轨迹规划和仿真分析

2．6．1 三自由度上肢康复机器人单关节运动轨迹规划

2．6．2 三自由度上肢康复机器人多关节运动轨迹规划

2．7 本章小结

第3章 上肢康复机器人开放式控制系统设计

3．1 引言

3．2 开放式控制系统总体结构设计

3．3 PMSM位置伺服系统的PID控制器设计

3．4 ADAMS与MATLAB联合仿真

3．4．1 ADAMS控制机械模型的建立

3．4．2 联合仿真模型建立

3．4．3 圆弧路径的联合仿真验证

3．5 控制系统硬件方案设计

3．6 控制系统电气设计

3．6．1 运动控制卡与伺服驱动器接线

3．6．2 伺服驱动器与伺服电机接线

3．7 控制系统程序开发

3．7．1 运动控制程序设计流程

3．7．2 规划轨迹的控制程序设计

3．8 本章小结

第4章 康复训练虚拟场景的建立

4．1 引言

4．2 康复训练虚拟场景程序设计

4．3 上肢康复机器人虚拟游戏场景界面介绍

4．3．1 被动模式下虚拟场景界面

4．3．2 主动模式下虚拟场景界面

4．4 上肢康复机器人虚拟游戏场景设计

4．4．1 整体场景设计

4．4．2 场景内虚拟物体设计

4．5 康复机器人与虚拟环境通信

4．6 本章小结

第5章 上肢康复机器人样机调试实验

5．1 引言

5．2 上肢康复机器人样机系统的整体介绍

5．3 伺服系统运动调试和电机转动惯量计算

5．4 运动控制程序实验验证

5．5 人机交互虚拟环境通信实验验证

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢