八绳驱动并联康复机器人控制方法研究

来源 :苏州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:juyang0303
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
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。
其他文献
抬高金属型金属氧化物(Elevated-Metal Metal-Oxide,EMMO)薄膜晶体管(Thin-Film Transisitors,TFTs)是非晶铟嫁锌氧化物(Amorphous Indium-Gallium-Zinc Oxide,a-IGZO)TFTs中的一种,其沟道内的缺陷较传统的a-IGZO TFTs更少,因此有着较好的电学特性。但是对于EMMO TFTs的可靠性研究较少,因此
学位
近几年,学习进阶一直是科学教育领域的研究热点之一,美国已经将学习进阶作为《新一代科学教育标准》的框架,我国也建构出了符合我国学生实际的认知发展层级模型。本文结合这些研究成果对义务教育阶段“电与磁”主题学习进阶进行研究,建构出义务教育阶段“电与磁”主题学习进阶框架,并对该框架进行实证检验。通过国内外文献了解和分析学习进阶的起源、包含要素、开发模式、呈现方式和验证方式。通过Likert量表调查初中物理
学位
随着集成电路技术的高速发展,系统级芯片的逻辑复杂度越来越高,在特征尺寸不断缩小的今天,不断增加的基本单元数量和紧缺的绕线资源成为数字集成电路技术发展的羁绊之一。不少研发人员和工程师献出了大量时间用于修复由于时钟路径过长、组合逻辑绕线延迟过高和布局密度高引发的违规问题。如果缩小电路单元的面积以及减少电路单元的延迟,可以等价降低布局的复杂度和减缓绕线资源紧张问题,进而提高整个系统级芯片的性能。本文通过
学位
第四次工业革命因物联网技术的飞速发展而不断加速。在物联网中,数百万台设备连接在一起,并连接到网络中。随着物联网的不断发展,其设备规模越来越小,应用场合越来越广,在可穿戴设备,可植入医疗设备,智慧家居等领域,都可以看到大量的物联网设备投入使用。对于这些无线节点,传统的有线供电方案显然不再适用。当有线电源不适合应用于大量物联网设备时,锂电池凭借其价格低,寿命长,储存能量密度高等优势,被认为是廉价且可靠
学位
以层状纳米磷酸锆(α-ZrP)为载体,负载化学发泡剂偶氮二甲酰胺(AC),制备了具有高AC负载量的新型α-ZrP/AC纳米复合发泡剂。TEM、XRD、FTIR和TGA等分析测试结果表明,AC发泡剂稳定地负载于α-ZrP片层表面,负载方式主要是物理吸附。当AC与α-ZrP的投料质量比为2:1时,复合发泡剂中AC负载量可达1 703 mg/g。将该复合发泡剂应用于聚丙烯木塑复合材料模压发泡,得到了具有
期刊
激光金属沉积(LMD)技术作为一种新兴的激光增材制造技术,具备快速制造和个性化定制以及高的资源利用率等传统工艺无法达到的优势。本论文通过选取18Ni-300马氏体时效钢(简称MS)作为研究对象,从激光和热处理工艺改进和优化、成分设计等方面对LMD成型MS合金材料及其复合材料进行系统地研究,以改善其组织结构和力学性能。激光工艺参数优化发现最优激光能量密度约为90 J/mm2,此时试样致密度达99.9
学位
随着物理学科核心素养提出提高学生在复杂情境下解决问题的能力、《新课标》重视创设情境教学和新高考试题情境化程度非常高,情境教学得到了广泛应用。情境素材作为情境教学内容表现的原材料,《义务教育物理课程标准(2022年版)》和《普通高中化学课程标准(2017年版)》在各个主题中增加了“情境素材建议”内容,情境素材应当受到相应的重视。本研究围绕情境素材资源库的建设,分为建设前期、建设过程和建设后期三部分。
学位
族群冲突治理是独立后的印度一直面临的重要任务。印度政府在顶层设计上采用了族群联邦主义的制度安排,即通过给予聚居在特定地理范围的族群共同体一定程度上的自治,以承认它的族群特性。印度的族群联邦主义制度可以从横向和纵向两个维度审视。横向层面是指宪法中的特殊安排,纵向层面则涉及邦重组方式的不断演进、以族群联邦主义为指导思路治理族群冲突、延伸保留政策。印度的族群联邦主义制度成功地阻断了族群冲突,使危机或动乱
期刊
近年来,镓基液态金属在多个领域展示了较大的应用价值,受到了广泛的关注,但液态金属本身具有高表面张力,难以润湿在其它材料表面,这大大的限制了液态金属在柔性电子及柔性机器人领域的应用。针对这一瓶颈难题,本文提出了一种新的主动可控液态金属润湿性涂层,实现了液态金属在任意基底的可控润湿,且在强酸强碱等极端环境下润湿性仍能很好保持。本文的研究内容主要分以下三个方面:首先,提出一种功能液态金属润湿性涂层的制备
学位
在制造业不断革新的时代,工厂中的智能物料调度生产是重中之重,不同企业的生产流程、任务协作具有其自身的特性。在此种环境下,结合企业自身条件、资源环境、生产特性对工厂的物料、人员、软硬件进行统筹调度,是制造业实现智能化、自动化亟待解决的痛点。本文基于表面贴装(SMT)机器工厂,在深入研究车间的人员管理、生产流程、物流运转的前提下,基于面向服务(SOA)架构理念的基础上研究与开发智能物料调度系统,主要研
学位