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上肢外骨骼康复机器人控制系统研究

作　者: 常微微
导　师: 刘瑞素
学　校: 河北工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 上肢外骨骼康复机器人 运动学分析 工作空间 轨迹规划 LabVIEW控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


进入21世纪以来，社会不断的发展、人们的物质生活有了较大的提高，人类疾病问题也不断增加。偏瘫患者大多由脑卒中疾病引起，且呈上升趋势，偏瘫患者生活不能自理直接给家庭和社会带来了沉重的压力。人们对生活质量要求的提高，对健康生活的重视使得一些康复医疗器械不断的涌现。在目前，将机器人技术与康复医学工程的结合是国内外研究的热点。在一些康复医疗医院，患者进行康复训练主要依靠一些简单器械，并且需要专业的医师指导，不能满足智能化的需要。本课题在深入研究人体上肢运动机理和康复医疗理论的基础上，结合外骨骼式机器人技术，设计了一种上肢外骨骼康复机器人。结合当前国内外对康复机器人的研究发展现状，结合机电控制理论。以能够较好的完成偏瘫患者上肢康复训练为目的，对其控制系统进行研究。本文的研究任务主要有：介绍了具有五自由度的上肢外骨骼康复机器人系统的总体方案。确定机器人的整体结构，选择电气控制的驱动方式，选用步进电机作为驱动电机。对比各种控制方案采用上、下位机两级控制方案。建立上肢外骨骼机构的运动学方程，并根据D-H方法求出运动学方程的正、逆解，构造雅克比矩阵。利用MATLAB软件和Solidworks软件相关联，建立机构的SimMechanics模型，并对其进行仿真分析，与计算得出的结果进行比较，验证运动学模型的可行性。并对机器人的工作空间进行分析，为机器人的控制奠定基础。对上肢外骨骼康复机器人的机械臂末端执行器进行轨迹规划，包括单关节训练轨迹和进食复合运动训练轨迹。采用多项式插值的方法对进食运动做了详细的分析，同时验证了此轨迹的可行性。为扩展康复机器人的动作轨迹奠定基础，也为上位机的开发提供了重要的理论依据。建立基于LabVIEW的上肢外骨骼康复机器人控制系统。主要设计了基于LabVIEW的上下位机通讯系统，友好的人机交互界面和下位机多机通讯程序。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-19
  §1-1 课题研究背景  9-10
  §1-2 课题研究的意义  10
  §1-3 国内外上肢康复机器人研究现状与分析  10-17
    1-3-1 国外的研究现状  10-13
    1-3-2 国内的研究现状  13-16
    1-3-3 机器人运动规划研究  16-17
  §1-4 上肢康复机器人研究要点  17
  §1-5 本课题研究内容  17-19
第二章 上肢外骨骼康复机器人系统方案分析  19-26
  §2-1 引言  19
  §2-2 上肢外骨骼康复机器人结构方案设计  19-23
    2-2-1 设计要求  19
    2-2-2 关节的各种运动  19-21
    2-2-3 机构方案设计  21-23
  §2-3 驱动方式选择  23
  §2-4 上肢外骨骼康复机器人控制系统方案设计  23-25
    2-4-1 总体控制系统方案设计  23-24
    2-4-2 控制方式  24-25
  §2-5 本章小结设计  25-26
第三章 运动学建模与仿真  26-41
  §3-1 引言  26
  §3-2 建立运动学模型及分析  26-33
    3-2-1 求解运动学方法  26
    3-2-2 上肢外骨骼康复机器人正运动学计算  26-30
    3-2-3 上肢外骨骼康复机器人逆运动学计算  30-31
    3-2-4 雅克比矩阵  31-33
  §3-3 基于 MATLAB/Simulink 的系统正运动学仿真  33-38
  §3-4 机器人工作空间分析  38-40
  §3-5 本章小结  40-41
第四章 机器人运动轨迹规划及控制研究  41-61
  §4-1 引言  41
  §4-2 机器人运动轨迹规划  41-57
    4-2-1 机械臂轨迹规划方法  42-43
    4-2-2 机械臂轨迹规划  43-57
  §4-3 控制电机系统建模与仿真  57-60
    4-3-1 步进电机控制模型建立  57-58
    4-3-2 步进电机 PID 控制  58-60
  §4-4 本章小结  60-61
第五章 基于 LabVIEW 的控制系统设计  61-71
  §5-1 引言  61
  §5-2 通信协议设计  61-64
    5-2-1 串口通讯函数  61-63
    5-2-2 单片机接口程序设计  63-64
  §5-3 上位机控制系统设计  64-66
    5-3-1 系统总体进程设计  65
    5-3-2 控制逻辑设计  65-66
  §5-4 人机界面设计  66-69
  §5-5 下位机多级通讯程序设计  69-70
  §5-6 本章小结  70-71
第六章 结论与展望  71-72
  §6-1 结论  71
  §6-2 展望  71-72
参考文献  72-75
致谢  75

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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