基于中枢模式发生器原理的减重康复训练机器人的研究

摘要

康复训练机器人可以针对瘫痪患者下肢进行行走功能训练，现在已经开始逐渐走向临床应用。这种康复机器人的目的在于实现患者的康复性训练，使患者的各种运动功能得到康复。目前下肢康复机器人大多采用传统的控制方法，智能化方面还有待提高。外骨骼机构在舒适性、人性化和安全性方面也有很多改进和提升的空间。以此为研究动机，本文设计了一款新型的下肢外骨骼机器人康复系统，在机械结构上引入了新的设计原理，在控制算法上引入了仿生控制机制—中枢模式发生器。本文的主要研究内容包括以下三个部分：
　　1．仿生控制算法的研究：研究中枢模式发生器（CPG）的原理以及实现方式。构建了CPG的数学表达式，对CPG的方程组进行分析，实现参数设定。在MATLAB/Simulink仿真环境中对CPG的特性进行仿真研究，探索关键参数对CPG节律运动输出信号的影响。并分析了CPG控制的优缺点以及CPG在下肢外骨骼系统中作为控制器的功用。
　　2．下肢外骨骼的设计：主要设计左右腿驱动机构，人重心及腿间距调整机构，高度调整机构以及系统支架。使用ANSYS软件的有限元对主要部件进行了校核分析。利用ADAMS和MATLAB软件联合仿真，并对CPG控制下的机构进行动态分析。
　　3．实验样机系统的实现：主要完成了机器人外骨骼机构的加工，电机的选型与调试，硬件通讯与控制电路设计，上位机和下位机软件控制程序的编写以及人机界面的设计。最后，样机系统在三位健康的受试者上进行了测试。
　　本文研发了一款新型的下肢机器人外骨骼康复系统，控制器采用了仿生控制算法CPG，使康复机器人步态能更接近正常人走路步态，期待能给瘫痪患者带来更好的运动功能康复效果。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2减重康复训练机器人的国内外研究现状

1.3康复训练机器人控制方法

1.4本课题的研究内容和章节安排：

第二章 中枢模式发生器仿生控制及步态优化

2.1引言

2.2 CPG模型构建

2.3 CPG模型各参数分析

2.4 CPG模型的步态优化

2.5 本章小结

第三章 康复训练机器人的机械设计

3.1引言

3.2 康复训练机器人的机构本体设计

3.3康复训练机器人的有限元分析

3.4驱动电机及减速器的选择

3.5数字编码器的选型

3.6驱动器的选型

3.7 本章小结

第四章 康复训练机器人运动控制仿真

4.1引言

4.2 ADAMS和MATLAB的联合仿真

4.3 本章小结

第五章 康复训练机器人样机系统实现与测试

5.1 引言

5.2 机械外骨骼的加工与制造

5.3 控制系统硬件设计

5.4 控制系统软件设计

5.5 实验验证

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 本文的不足及展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文