论文部分内容阅读
踝关节是是人体负重最大的关节,也是人体下肢运动的关键关节,在人类的日常生活中起着关键作用。目前,由于人口老龄化的加重,交通工具的快速发展以及人们生活节奏的加快,踝关节的损伤在日常生活中较为常见。康复机器人能够帮助肢体活动障碍的患者完成多种功能性训练,是一种新型机器人。利用康复机器人对踝关节进行康复训练,可以将康复医师从繁重的康复工作中解放出来,并且利于康复效果的评估和康复方案的修正,具有一定的实用价值和良好的应用前景。本文首先依据解剖学、康复医学、临床医学等方面的知识,对踝关节的生理结构、运动形式和损伤类型进行了分析。针对踝关节损伤的类型和原因,阐述了踝关节的康复治疗方法。对踝足的运动模式进行简化,并针对踝关节不同康复阶段的要求,阐述了三种不同的控制策略。提出了对康复机器人的要求,确定了踝关节康复训练的目标。其次,对气动六自由度并联踝关节康复机器人的基础理论进行了分析,主要包括对康复机器人运动学以及人机系统动力学的分析。并在此基础上,借助Matlab强大的建模与仿真功能,在Matlab/Simulink环境下搭建了气动控制系统模型、基于SimMechanics的机器人动力学模型和气动-机械整体机器人控制系统模型,并对并联机器人的频率特性、时域特性以及康复机器人的工作空间进行了分析。然后,针对踝关节三个不同的康复阶段,详细分析了轨迹跟踪控制、阻抗控制和踝关节主动运动控制三种不同的控制策略。建立了基于Matlab/Simulink的控制系统仿真模型,并对系统进行仿真,然后主要对阻抗控制的效果、阻抗控制器参数变化对阻抗控制的影响进行了分析。针对踝关节主动运动控制系统,对系统中的多余力进行了仿真分析,并采用结构不变性原理对其进行消除。最后,对实际踝关节参数(主要是刚度系数和阻尼系数)随关节角度的变化情况进行了分析,并根据以上三种控制策略的控制规律对实际踝关节进行仿真分析,结果证明了这三种控制策略的可行性和有效性。