学海网

硕士论文-绳牵引康复机器人设计及其控制算法研究，共96页。
摘 要
脑卒中等脑血管疾病是包括中国、美国等国家致残率最高的疾病。目前三分之二的脑卒中幸存患者会存在单侧运动功能障碍，俗称―偏瘫‖，它严重影响患者日常生活，给国家和家庭带来了沉重的经济负担。临床上传统的康复治疗方法为康复治疗师一对一的手动牵引进行物理治疗，该方法能够改善患者肢体运动功能，但存在着许多不足，物理治疗师无法长时间进行康复训练，治疗效果受治疗师的技术影响，人力成本高等。机器人技术有着可控性强、不知疲倦等特点，为其逐渐向康复领域应用提供了契机。康复机器人能够提高患者康复效率，弥补物理治疗师的不足，满足社会对康复治疗的迫切需求。结合人体上肢生理结构和康复机器人的设计要求，研制了一套绳索牵引上肢康复机器人，首先搭建了绳牵引机器人的机械平台，包括立方体框架的静平台、手托动平台和绳索牵引装置。接着搭建了机器人的硬件平台，分为信号采集系统和运动控制平台，信号采集系统包括表面肌电信号滤波放大电路、运动捕捉系统和绳索拉力传感器，自主研发了一款高信噪比的表面肌电信号采集电路板，基于定滑轮平衡原理设计一套绳索拉力传感器。运动控制平台包括以下几个部分，PC、运动控制卡、电机驱动器和直接驱动电机。依托一个正常的上肢生理参数确定机器人的结构参数，建立绳牵引机器人空间模型，根据三角形封闭原理分析机器人的运动学逆解模型，基于牛顿拉普森方法近似求解运动学正解。同时基于手托动平台及上肢的受力情况，建立了该平台的静力学模型，利用牛顿定律建立了手托动平台及上肢的动力学模型。为了满足不同康复训练模式的要求，提出了两套控制算法，分别为以运动学参数为控制源的模糊逻辑阻抗控制算法和基于表面肌绳牵引康复机器人设计及其控制算法研究电信号的助力控制算法。进行模糊逻辑阻抗控制算法仿真实验，验证模糊阻抗控制器能获得更好的位置跟踪性能。接着进行一个正常人的模糊阻抗控制算法验证实验，实验结果表明控制器的阻抗参数能够根据模糊逻辑进行迭代调整，模糊逻辑阻抗控制器能够获得更好的位置跟踪性能，同时保持相同的力学控制性能。最后开展了5个正常人的基于表面肌电信号的助力控制算法验证实验，分为无助力对照组和有助力实验组完成，实验结果证明基于表面肌电信号的助力控制算法能提供拟人的机器人助力，并补偿上肢的部分运动功能。
关键词： 脑卒中；绳牵引；康复机器人；模糊阻抗控制；肌电信号

目 录
摘 要 I
Abstract III
第一章 绪论 1
11 课题研究背景与意义 1
12 课题研究现状 2
13 康复机器人的分类 9
131 按机械部分分类 9
132 按控制算法分类 11
14 课题研究内容 12
第二章 偏瘫康复治疗的理论基础 14
21 偏瘫的病因与表现 14
211 偏瘫的病因 14
212 偏瘫的表现 15
22 偏瘫康复理论与方法 16
221 偏瘫康复理论 16
222 偏瘫临床治疗方法 17
23 本章小结 18
第三章 绳牵引康复机器人整体设计 19
31人体上肢结构与设计要求 19
311 人体上肢生理结构 19
312 人体上肢自由度 21
313 康复机器人设计要求 22
32康复机器人机械结构设计 24
33康复机器人硬件系统设计 25
331 肌电信号采集系统设计 25
332 运动和力学信号采集平台搭建 30
333 电机控制与驱动平台搭建 33
34 本章小结 37
第四章 绳牵引康复机器人运动学和动力学分析 39
41运动学分析 39
411 绳索牵引并联结构坐标系确定 39
412 运动学逆解分析 40
413 运动学正解分析 41
42动力学分析 43
421 静力学方程 44
422 动力学模型 45
43本章小结 48
第五章 绳牵引康复机器人控制算法研究 49
51 引言 49
52 模糊逻辑阻抗控制算法 50
521 阻抗控制 50
522 自适应阻抗参数调整 51
523 模糊阻抗控制 54
53 EMG-BASED控制算法 55
531 肌肉兴奋度求解 56
532 状态空间模型 57
54 本章小结 58
第六章 机器人仿真与平台验证实验 59
61 模糊阻抗控制算法仿真实验 59
611 模糊逻辑仿真 59
612 模糊逻辑simulink仿真 60
62 模糊阻抗控制算法验证实验 62
621 实验设计 62
622 实验结果及讨论 64
63EMG-BASED控制算法验证实验 66
631 实验设计 66
632 实验结果及讨论 67
64 本章小结 69
第七章 总结与展望 70
71 课题总结 70
72 课题展望 71
参考文献 73
攻读硕士学位期间发表学术论文情况 81
致 谢 82