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下肢康健训练机器人控制系统的研究

作　者: 杨科
导　师: 王勇
学　校: 合肥工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 下肢康健机器人 ADAMS 仿真分析嵌入式系统 ARM
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 23次
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内容摘要

随着偏瘫患者人数的增加以及人口老龄化趋势不断加剧,下肢康健训练机器人逐渐成为了各大高校和研究机构关注和研究的热点。本文主要针对下肢康健训练机器人的控制系统进行研究,在归纳了国内外研究现状和康健训练机构本身的特点后,提出了一种智能终端无线控制系统的方案,操作平板电脑或智能手机,便可完成对下肢康健训练机器人的控制,具有性能稳定,人机交互性好,使用方便等特点。首先,依据大脑在损伤区周围、对侧或远隔部位也仍然具有一定程度的可塑性理论,为了避免患肢的二次损伤,本文提出了一种脚踏位置的匀速控制方法。运用仿真软件ADAMS分析了脚踏位置与曲柄之间的速度曲线关系,根据分析结果提出了脚踏位置速度与曲柄角速度函数关系,并在Matlab中进行了分段拟合,最后根据拟合结果在仿真软件ADAMS中进行了验证。通过仿真试验表明达到了预期的效果,对下肢康复训练机构轨迹的速度控制提供了思路,为将来进一步的研究打下了基础。其次,根据下肢康健训练机器人的机械结构组成,结合康复健身训练的需求,提出了其功能要求。针对控制系统总体功能及性能进行了分析,提出了控制系统整体的设计方案,采用上位机、下位机分层设计,平板电脑无线智能终端作为上位机,ARM Cortex-M3内核的32位微控制器作为下位机主控芯片。最后,采用先硬件后软件的设计方法,设计开发下肢康健训练机器人的下位机嵌入式控制系统。硬件系统主要包括微控制器最小系统电路、Wi-Fi模块接口电路、霍尔传感器电路、心率等信号采集电路和电机驱动接口电路。下位机控制系统软件设计主要包括嵌入式操作系统的移植、测试,软件任务的划分和设计,以及各个任务优先级的确定,然后对任务可调度性进行了分析。本文在软硬件系统开发完成后,对硬件电路中部分模块进行测试实验,以保证其稳定可靠,结合软件系统经过总体调试,最终表明本文研究的下肢康健训练机器人控制系统能够满足要求。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
致谢  8-15
第一章绪论  15-24
  1.1 课题的来源、背景及意义  15-16
  1.2 国内外发展现状  16-21
    1.2.1 国外康复机器人的研究现状  16-19
    1.2.2 国内康复机器人的研究现状  19-21
  1.3 主要存在的问题及分析  21-22
  1.4 本文的主要研究内容  22-24
第二章系统整体方案设计  24-32
  2.1 机械机构组成及功能要求  24-26
    2.1.1 机械机构组成  24-25
    2.1.2 功能要求  25-26
  2.2 嵌入式系统概述  26-30
    2.2.1 嵌入式系统简介  26-27
    2.2.2 嵌入式硬件系统  27-28
    2.2.3 嵌入式软件系统  28-30
  2.3 控制系统总体方案设计  30-31
    2.3.1 上位机方案  30
    2.3.2 下位机方案  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第三章脚踏位置匀速控制方法  32-42
  3.1 脚踏位置的速度分析  32-34
  3.2 训练机构脚踏位置的速度函数关系拟合  34-36
  3.3 脚踏位置的匀速控制方法及验证  36-40
    3.3.1 得到仿真运动驱动函数  36-37
    3.3.2 脚踏位置匀速控制方法的验证  37-40
  3.4 本章小结  40-42
第四章控制系统硬件平台设计  42-58
  4.1 微控制器的选择  42-43
  4.2 微控制器最小系统硬件设计  43-46
    4.2.1 电源电路  43-44
    4.2.2 微控制器芯片供电电路  44
    4.2.3 晶振电路  44-45
    4.2.4 复位、BOOT选择电路和JTAG接口电路  45-46
  4.3 Wi-Fi通信模块  46-48
  4.4 心率等信号采集模块  48-49
  4.5 霍尔传感器电路  49-50
  4.6 电机选择及其驱动接口电路  50-53
  4.7 硬件电路的完成及测试  53-57
    4.7.1 主控电路板的完成  53-54
    4.7.2 按键抖动测试实验  54-55
    4.7.3 霍尔传感器测试实验  55
    4.7.4 PWM输出测试实验  55-56
    4.7.5 心率采集模块测试实验  56
    4.7.6 编码器反馈信号测试实验  56-57
  4.8 本章小结  57-58
第五章控制系统软件设计  58-71
  5.1 软件系统总体方案  58-60
    5.1.1 上位机软件  58
    5.1.2 嵌入式操作系统的选择  58-60
  5.2 嵌入式操作系统的移植与测试  60-65
    5.2.1 μC/OS-Ⅱ系统的移植  60-63
    5.2.2 μC/OS-Ⅱ系统的测试  63-65
  5.3 下位机应用程序设计  65-70
    5.3.1 任务的划分  65-68
    5.3.2 任务优先级的分配  68-69
    5.3.3 任务可调度性分析  69-70
  5.4 总体调试实验  70
  5.5 本章小结  70-71
第六章总结与展望  71-73
  6.1 总结  71-72
  6.2 展望  72-73
参考文献  73-76
攻读硕士期间发表的论文  76

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