【摘 要】
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目前我国过老龄化人口越来越多,老龄化问题趋势日益突显,其中影响老年人日常生活最主要的问题是体弱和肢体运动障碍等,针对这些问题越来越多的患者选择康复训练的方式帮助其恢复肢体运动功能。康复训练主要分为两种形式:一是依靠专业治疗师徒手操作简单的医疗器械辅助患者进行康复训练,二是使用针对人体不同部位的康复机器人协助患者自己进行重复性的康复训练。随着科技的进步和人们生活水平的提高,越来越多的患者选择康复机器
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目前我国过老龄化人口越来越多,老龄化问题趋势日益突显,其中影响老年人日常生活最主要的问题是体弱和肢体运动障碍等,针对这些问题越来越多的患者选择康复训练的方式帮助其恢复肢体运动功能。康复训练主要分为两种形式:一是依靠专业治疗师徒手操作简单的医疗器械辅助患者进行康复训练,二是使用针对人体不同部位的康复机器人协助患者自己进行重复性的康复训练。随着科技的进步和人们生活水平的提高,越来越多的患者选择康复机器人进行大量重复性的康复训练。康复机器人的种类很多,但目前外骨骼型式的机器人占多数,外骨骼康复机器人通常使用刚性材料制成对患者具有一定的刚性冲击。相比于刚性材料,绳索具有柔顺性好、结构简单和惯性小的优点,因此研究面向步态训练的绳驱动并联康复机器人具有一定的实际意义。考虑到柔性绳索本身只能承受拉力这一特殊性,绳驱动并联康复机器人辅助患者进行康复训练时整个系统的平稳性、拉力变化和运动控制精度对患者康复训练恢复效果和安全有直接影响。主要工作内容如下:(1)绳驱动并联康复机器人结构及建模分析。首先对六自由度八绳索驱动并联康复机器人的支架、滑轮组和绕绳装置等模块进行介绍。在结构简化模型的基础上,分别使用矢量四边形法和牛顿迭代法对正逆运动学模型进行分析,研究了末端腰带位置与绳索长度之间的变化关系,并且通过仿真验证了正逆运动学的准确性;其次基于牛顿-欧拉法建立机器人的动力学模型,研究了绳索与末端腰带之间的运动关系,在动力学的基础上,结合绳索约束条件,从力的角度出发对机器人整个构型内的力控工作空间进行了分析计算,在力控工作空间的基础上并且根据减重实验的需要,对各绳索拉力分配方法展开了研究,利用凸多面体问题非线性化法和力封闭法对各绳索拉力进行求解,以达到输出减重力的效果,最终通过Matlab仿真验证了力控工作空间和拉力分配方案的可行性。(2)绳驱动并联康复机器人的控制方法研究。因为在实际的运动控制时,机器人需要为患者同时提供拉力和轨迹控制,所以控制方法从位置和拉力两个方面展开研究。位置控制部分从简单到复杂分别对滑模控制、PI滑模控制和PI快速终端滑模自适应鲁棒控制进行计算分析,以正常人步态时髋关节运动作为控制器的输入信号,通过Simulink实现各控制器仿真,仿真结果表明:在有外界干扰时,滑模控制能够实现对髋关节轨迹有效跟踪,但存在一定的稳定误差,PI滑模控制利用PI控制的优点减小了轨迹跟踪的稳定误差,提高了控制精度;在机器人系统模型不确因素和外界干扰同时存在时,PI快速终端滑模自适应鲁棒控制仍能对输入的髋关节轨迹实现稳定有效的跟踪。为了实现机器人拉力和位置的同时控制,将PI快速终端滑模自适应鲁棒控制和拉力分配方案相结合设计了一种力位分离控制的力/位并行控制器。(3)绳驱动并联康复机器人控制系统设计。基于倍福工控进行整个控制系统硬件部分和软件部分的设计。整个控制系统硬件部分由倍福工控机、运动控制器、电机驱动器、伺服电机和传感器信号采集系统组成,上位机通过EtherCAT总线与运动控制器和电机驱动器进行数据交互。控制系统软件部分主要使用TwinCATPLC和TwinCATNC两个模块,其中TwinCATPLC主要用于程序算法编写、控制界面开发和库函数调用,TwinCATNC主要用于实现单轴点动和多轴联动指令,TwinCATPLC和TwinCATNC是工作于同一个PC,两者之间的通信只是两个内存区之间的数据交换,这使得程序运行时进行参数修改非常灵活且相应迅速。良好可靠的控制系统为后期实验打下基础。(4)绳驱动并联康复机器人的实验研究。平台部分主要由机械结构部分、传感器部分和控制系统硬件,完成硬件平台搭建后需要与控制系统的倍福工控机之间建立通信,进行硬件调试。实验部分根据绳驱动并联康复机器人实现的功能分成调试、轨迹跟踪、髋关节静态减重和髋关节动态减重康复训练这四个实验,在上位机中完成各个实验对应的算法编写,通过实验验证了位置控制方法和拉力分配方案的可行性。
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