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基于虚拟力反馈的康复训练控制技术研究
作 者: 彭晋
导 师: 王岚
学 校: 哈尔滨工程大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 力反馈 虚拟现实 运动学 康复训练 轨迹控制
分类号: TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要
力反馈与虚拟现实技术是两种相辅相成的现代技术,目前在医疗、工程、地理、教育和游戏等诸多领域得到应用。随着其发展日趋成熟,已经越来越多的出现在我们的日常生活当中。本文基于美国SensAble公司开发的PHANToM Omni力反馈装置,分析其运动学和动力学模型,研究轨迹控制方法和力反馈控制算法,设计虚拟现实场景辅助上肢康复训练,为提高康复训练效果提供了研究基础。首先,详细剖析PHANToM Omni力反馈装置的机械结构和软硬件环境,设计系统虚拟力控制的方案。利用D-H法分别建立力反馈装置和人手臂的连杆模型进行正运动学分析,逆运动学则采用几何法进行求解;结合QuaRC快速仿真系统进行逆运动学仿真,并计算力反馈装置的工作空间。利用ADAMS建立力反馈装置和人手模型,进行动力学仿真。然后,建立了PHANToM Omni各关节电机的数学模型,并依据控制理论对其进行PI调速仿真分析。设计PD控制器实现力反馈装置的单关节位置控制仿真。在此基础上,研究多关节控制实现方法,规划轨迹路径,实现力反馈装置的末端轨迹跟踪控制。最后,推导力反馈算法,结合MATLAB虚拟现实工具箱,设计感应虚拟重物的康复训练场景,并在ADAMS软件上仿真分析这一运动过程,研究人手康复训练的受力情况。同时,设计阻抗控制器控制反馈力,应用力控制算法设计了用于上肢康复训练的虚拟现实小游戏。
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全文目录
摘要 5-6 Abstract 6-11 第1章 绪论 11-20 1.1 课题研究的目的及意义 11-12 1.2 力反馈算法研究现状 12-14 1.3 虚拟现实技术研究现状与发展 14-18 1.3.1 力反馈装置发展状况 15-16 1.3.2 虚拟现实技术及其应用 16-18 1.4 论文研究的主要内容 18-20 第2章 总体控制方案设计 20-28 2.1 力反馈装置机械结构 20-22 2.2 力反馈装置软硬件 22-25 2.2.1 驱动电机及传感器 22-23 2.2.2 PHANToM Omni 驱动器 23 2.2.3 PHANToM Omni 数据传输 23-24 2.2.4 PHANToM Omni 软件环境 24-25 2.3 力反馈系统总体方案设计 25-27 2.3.1 总体控制方案流程 25-26 2.3.2 力反馈算法设计 26 2.3.3 控制算法的设计 26-27 2.4 本章小结 27-28 第3章 力反馈系统的运动学及动力学研究 28-48 3.1 正运动学分析 28-34 3.1.1 PHANToM 力反馈装置正运动学分析 29-32 3.1.2 人手臂正运动学分析 32-34 3.2 逆运动学分析 34-38 3.2.1 前三关节逆运动学分析 35-36 3.2.2 后两个关节逆运动学分析 36-38 3.3 运动学仿真 38-41 3.4 工作空间分析 41-42 3.5 力反馈系统的动力学研究 42-46 3.5.1 动力学仿真原理 42-44 3.5.2 动力学仿真分析 44-46 3.6 本章小结 46-48 第4章 轨迹跟踪控制 48-62 4.1 驱动电机控制及仿真 48-52 4.1.1 PID 控制基本原理 48-49 4.1.2 直流电机数学模型 49-51 4.1.3 直流电机调速及控制仿真 51-52 4.2 单关节位置控制 52-56 4.2.1 力反馈装置 PD 控制规率 52-53 4.2.2 单关节控制及仿真 53-56 4.3 轨迹跟踪控制实验 56-61 4.3.1 轨迹点的采集 56-57 4.3.2 轨迹路径的规划 57-58 4.3.3 轨迹跟踪实现及结果分析 58-61 4.4 本章小结 61-62 第5章 力反馈康复训练实验 62-76 5.1 力觉响应算法 62-65 5.1.1 刚体的力反馈响应算法 62-64 5.1.2 虚拟墙仿真实验 64-65 5.2 带力反馈的康复训练实验 65-72 5.2.1 虚拟重力感应实验 65-66 5.2.2 人机互动受力分析 66-68 5.2.3 力觉感应的实现 68-69 5.2.4 阻抗控制研究 69-72 5.3 虚拟桌球实验 72-75 5.4 本章小结 75-76 结论 76-77 参考文献 77-81 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 81-82 致谢 82
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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 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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