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病人自导康复机械臂控制系统设计与研究

作　者: 胡佳家
导　师: 徐新民
学　校: 浙江大学
专　业: 电路与系统
关键词: 康复机械臂模型预测控制动力学模型 LM4F232 STM32
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 37次
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内容摘要

伴随着中国老龄化程度不断加剧,中风康复医疗需求猛增,但是国内的康复机构和康复人才都十分短缺。针对这种情况,运用机器人辅助治疗可以代替部分康复医疗人员的工作。辅助性康复机器人让患者可以通过大量重复性运动训练来补偿和复健弱化的机体功能,近年来已经成为医疗工程的研究热点。康复机器人的研究涉及许多学科领域,与工业机器人相比更注重控制性能、智能化操作的研究,把机器入技术和康复医疗技术很好的结合在一起。大多数中风病人是暂时或者永久的失去肢体一半的机体功能,而另一半肢体仍然是健康的。本文为这一类中风患者设计了一种新的康复机械臂系统,该系统运用病人自身健康手臂产生的运动轨迹来驱动瘫痪手臂进行康复运动。结合病人的自导控制,康复系统可以更好适应病人的治疗强度。康复机械臂的控制系统为本文的主要阐述内容。此种病人自导康复机械臂的控制系统包括采集病人健康手臂运动信息的导臂系统和驱动瘫痪手臂运动的机械臂系统两个部分。本文根据这两个部分不同的设计方案,详细阐述了控制系统整体的硬件设计和软件实现。主要包括两款控制器LM4F232和STM32的应用,以及他们通信协议的建立；另外还有外部功能模块,如电机驱动模块、编码器模块、屏幕显示模块等的实现。本文还研究了手臂的动力学模型以及可以对其运用的控制策略。手臂模型存在强耦合、非线性、多输入多输出等特性,模型预测控制是建立在预测模型和滚动优化基础上的一种计算机优化控制算法,它能够适应手臂模型的这些特点。本文通过MATLAB/Simulink建立手臂动力学模型,并运用模型预测控制算法对其进行控制仿真,验证控制效果。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 应用背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11
  1.3 本文的研究内容  11-13
  1.4 论文的组织结构  13-14
  1.5 本章小结  14-15
第2章病人自导康复机械臂总体设计方案  15-22
  2.1 系统整体设计目标及实现方案  15
  2.2 机械系统的设计方案  15-18
    2.2.1 机械臂结构设计  16-17
    2.2.2 导臂结构设计  17-18
  2.3 控制系统的设计方案  18-21
    2.3.1 电路设计和软件实现  19-21
    2.3.2 控制策略研究  21
  2.4 本章小结  21-22
第3章病人自导康复机械臂控制策略研究及仿真  22-39
  3.1 手臂动力学模型建立  22-25
    3.1.1 动力学方程建立  22-25
  3.2 控制策略研究与应用  25-33
    3.2.1 原理概述  26-30
    3.2.2 模型线性化的方法  30-33
  3.3 控制算法仿真实现  33-38
    3.3.1 建立模型  33-35
    3.3.2 仿真结果  35-38
  3.4 本章小结  38-39
第4章病人自导康复机械臂控制系统硬件设计  39-50
  4.1 机械臂硬件设计  39-46
    4.1.1 控制器模块  40-41
    4.1.2 功能电路模块  41-46
  4.2 导臂硬件设计  46-49
  4.3 本章小结  49-50
第5章病人自导康复机械臂控制系统软件实现  50-60
  5.1 导臂控制系统软件实现  50-55
    5.1.1 通信过程和协议  51-53
    5.1.2 编码器信息接收与处理  53-54
    5.1.3 屏幕按键和显示  54-55
  5.2 机械臂控制系统软件实现  55-59
    5.2.1 通信帧的接收和传输  56-57
    5.2.2 PWM模块  57
    5.2.3 QEI模块  57
    5.2.4 控制模块  57-59
  5.3 本章小结  59-60
第6章总结和展望  60-62
参考文献  62-65
作者简历及在学期间所取得的科研成果  65

病人自导康复机械臂控制系统设计与研究

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