外骨髂下肢康复机器人系统开发及其柔顺控制研究

摘要

本文针对目前全球康复治疗的现状，以及已有的下肢康复机器人存在的局限性，开发了一款新型外骨骼下肢康复机器人，可以实现卧姿、坐姿和站姿等多体位康复训练。通过采取多种控制策略，满足不同康复阶段的患者使用。 根据人体下肢结构特点和康复训练需求，设计了一款能实现多体位康复训练的下肢外骨骼康复机器人，并讲述了所设计机器人的机构组成和工作原理。详细介绍了下肢外骨骼机械腿及其人机力交互模块的设计。 通过对人体下肢步态运动机理进行分析，采集了不同人体自然步态数据并拟合成轨迹函数，作为患者康复训练的控制参考步态轨迹。并通过D-H参数法对所设计的外骨骼机械腿进行正、逆运动学分析;运用Lagrange法获得了机械腿的动力学模型。并通过动力学仿真分析，验证了动力学模型的正确性。 在患者康复训练初期，针对在“外骨骼主动”即患者被动控制训练的特点，设计了基于PID和模糊控制的Dual-Mode控制算法:当系统误差较大时，采用模糊控制提高系统的动态响应速度;反之，当系统误差较小时，将控制器切换到PID控制，消除稳态误差。通过仿真对比，结果验证了所设计算法的可行性，并有效提高了控制的精度。 在患者康复训练恢复期，针对在“患者主动”即机器被动的控制训练时，需要考虑人机接触柔顺性的问题，设计了基于患者病情模糊自适应的PSO阻抗控制算法。在优化阻抗参数的基础上，通过分析患者病情，加入模糊自适应控制器，来补偿系统误差，实现了柔顺控制的目的。 在搭建了第一代康复机器人样机的实验平台上，进行了下肢外骨骼机械腿极限位置测试实验、坐-立姿态转换实验。通过基于PID和模糊控制的Dual-Mode控制算法的患者被动实验，验证了所设计被动控制算法能有效提高系统的响应速度，减少稳态误差，提高了控制的鲁棒性。在基于患者病情模糊自适应的PSO阻抗控制算法的患者主动实验中，与传统位置阻抗算法相比，本文设计的算法其跟踪最大误差减少了47.2％，其累计和平均误差减少了50.7％。证明了所设计的算法可以实现期望力跟踪，有效提高了步态轨迹跟踪的精度。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题研究背景与意义

1．2外骨骼下肢康复机器人国外研究现状及分析

1．2．1国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．3研究现状分析总结

1．4本文主要研究内容

第二章下肢康复机器人系统方案设计

2．1人体下肢结构分析

2．2下肢康复机器人系统构成简介

2．2．1下肢康复机器人结构组成

2．2．2下肢康复机器人工作原理

2．3下肢外骨骼机构设计

2．3．1外骨骼尺寸选取

2．3．2外骨骼驱动方式

2．3．3人机力交互模块

2．3．4下肢外骨骼机械腿整体结构

2．4本章小结

第三章下肢外骨骼康复训练运动规划

3．1人机康复训练模式研究

3．1．1人体下肢步态运动分析

3．1．2康复训练模式分析

3．2康复训练步态轨迹规划

3．2．1人体自然步态轨迹信息采集

3．2．2患者康复训练参考步态轨迹规划

3．3下肢外骨骼机械腿运动学分析

3．3．1外骨骼机械腿正运动学分析

3．3．2外骨骼机械腿逆运动学分析

3．4下肢外骨骼机械腿动力学分析

3．4．1 Lagrange方程描述

3．4．2 Lagrange函数建立

3．4．3 Lagrange动力学方程建立

3．4．4下肢外骨骼机械腿仿真分析

3．5本章小结

第四章外骨骼下肢康复机器人柔顺控制算法研究

4．1“外骨骼主动”控制算法

4．1．1经典PID控制

4．1．2模糊控制算法

4．1．3基于PID和模糊控制的Dual-Mode控制算法研究

4．2“患者主动”控制算法

4．2．1传统基于位置的阻抗控制

4．2．1基于粒子群优化算法(PSO)的位置阻抗控制

4．2．3基于患者病情模糊白适应的PSO位置阻抗控制算法

4．3本章小结

第五章外骨骼下肢康复机器人柔顺控制实验研究

5．1机器人系统硬件实现

5．1．1机器人系统硬件组成

5．1．2机器人系统电气布局

5．2机器人系统软件实现

5．2．1机器人系统总体程序设计

5．2．2人机界面设计

5．3相关实验结果及分析

5．3．1极限位置测试实验

5．3．2坐-立姿态转换实验

5．3．3“外骨骼主动”模式控制实验

5．3．4“患者主动”模式控制实验

5．4本章小结

第六章总结与展望

6．1全文总结

6．2未来展望

参考文献

致谢

附录