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踝关节融合康复机器人系统的轨迹规划和运动控制

作　者: 李丹
导　师: 赵铁石
学　校: 燕山大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 生物融合机构系统踝关节康复机器人运动学静力学运动影响系数轨迹规划控制系统
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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引　用: 5次
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内容摘要

康复机器人技术是近年来迅速发展起来的一门新兴技术,是机器人技术在医学领域内的新应用。本文结合当今社会存在的踝关节高发病率的情况,设计研制了新型的踝关节运动康复机器人样机,提出了“生物融合机构系统”这一康复机器人机构的新概念,并在对样机进行运动学、静力学分析的基础上,对样机进行了康复运动轨迹的规划,设计了它的控制系统。首先,结合运动解剖学、临床医学和康复医学等相关知识,分析了踝关节的损伤类型、机理,建立了踝关节的仿生机构学模型和康复运动模型。依据“生物融合机构系统”的概念,设计了踝关节融合康复机器人的机构和运动模型。运用影响系数理论对踝关节康复机器人机构进行了运动学分析,得到了机构机构的速度解和加速度解,以及各种康复运动时驱动单元的位置、速度、加速度曲线图。其次,对踝关节康复机器人进行了静力学的分析,推导出了踝关节与各个驱动杆之间的力的相互作用关系,分析了踝关节主动施力对各个驱动杆长度的影响。基于静力学分析,对踝关节康复机器人的康复轨迹进行了规划,利用ADAMS软件对规划的路径进行模拟仿真,并利用软件的测量功能对前述的速度解、加速度解进行了验证。最后,本文提出了基于“PC+运动控制器”的踝关节康复机器人控制系统机构方案。详细地叙述了硬件系统的设计过程,给出了具体实现方法,并运用VC++软件开发了人机交互的界面,实现了踝关节康复机器人的控制。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-21
  1.1 概述  9-10
  1.2 康复机器人的发展  10-18
    1.2.1 代偿型康复机器人  11-13
    1.2.2 辅助型康复机器人  13-15
    1.2.3 治疗型康复机器人  15-18
  1.3 课题的来源  18-19
    1.3.1 踝关节康复机器人研究的必要性  18
    1.3.2 踝关节康复机器人的研究进展  18-19
  1.4 课题研究的意义  19-20
  1.5 本文的主要研究内容  20-21
第2章踝关节融合康复机器人机构建模  21-41
  2.1 概述  21
  2.2 踝关节的临床研究  21-26
    2.2.1 踝关节的结构  21-22
    2.2.2 踝关节损伤机理  22
    2.2.3 踝关节损伤的临床表现  22-23
    2.2.4 踝关节损伤的康复治疗方法  23-24
    2.2.5 踝关节损伤的康复运动建模  24-26
  2.3 康复机器人机构的分类  26-29
    2.3.1 机构及分类方法  26
    2.3.2 康复机器人的机构学分类  26-29
  2.4 踝关节康复机器人机构模型的建立  29-34
    2.4.1 踝关节康复机器人机构的构型  29-30
    2.4.2 机构的螺旋系与反螺旋系  30-32
    2.4.3 生物融合踝关节康复机器人自由度分析  32-34
  2.5 生物融合踝关节康复机器人运动模型  34-40
    2.5.1 踝关节康复机器人机构的D-H参数  34-37
    2.5.2 4- UP(P_e)S / PS机构的位置反解  37-40
  2.6 本章小结  40-41
第3章踝关节融合康复机器人运动学分析  41-59
  3.1 概述  41
  3.2 运动影响系数理论  41-43
  3.3 少自由度并联机构影响系数的虚设机构法  43-44
  3.4 运动阶影响系数求解  44-58
    3.4.1 机构支链的一阶影响系数矩阵  44-48
    3.4.2 机构的一阶影响系数矩阵  48-51
    3.4.3 分支的二阶影响系数分析  51-52
    3.4.4 机构的二阶影响系数矩阵  52-54
    3.4.5 机构在康复过程中的运动分析  54-58
  3.5 本章小结  58-59
第4章踝关节融合机构的静力学分析  59-70
  4.1 引言  59
  4.2 生物分支对动平台约束力的分析  59-60
  4.3 踝关节运动康复系统的静力平衡方程  60-62
  4.4 运动康复过程中的静力分析  62-69
  4.5 本章小结  69-70
第5章基于ADAMS的运动学仿真和轨迹规划  70-85
  5.1 踝关节运动康复系统机构仿真模型的建立  70-71
    5.1.1 几何建模  70
    5.1.2 质量属性  70-71
    5.1.3 施加约束  71
  5.2 机构位置解和运动学仿真  71-80
    5.2.1 机构位置反解的正确性验证  71-75
    5.2.2 验证运动学反解的正确性  75-80
  5.3 踝关节融合康复机器人康复运动轨迹规划  80-84
    5.3.1 轨迹规划概述  80-81
    5.3.2 复合式转动位置反解的Matlab样条生成  81-82
    5.3.3 复合式转动的运动轨迹生成  82-84
  5.4 本章小结  84-85
第6章踝关节融合康复机器人控制系统设计  85-98
  6.1 概述  85
  6.2 踝关节康复机器人控制系统硬件设计  85-91
    6.2.1 控制系统的硬件结构  85-86
    6.2.2 控制系统的逻辑结构  86-91
  6.3 踝关节康复机器人控制系统软件设计  91-97
    6.3.1 控制系统的软件开发平台  91-92
    6.3.2 控制系统的软件系统结构  92
    6.3.3 人机界面  92-94
    6.3.4 控制系统的工作流程  94-97
  6.4 本章小结  97-98
结论  98-99
附录1 初始位形下机构的一、二阶影响系数  99-106
附录2 控制系统程序代码  106-112
参考文献  112-117
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  117-118
致谢  118-119
作者简介  119

踝关节融合康复机器人系统的轨迹规划和运动控制

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