下肢康复机器人的控制系统研究与设计

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近年来,康复机器人的研究被越来越多地得到重视。这是一个交叉性的学科,不仅需要机器人领域的知识,还需要结合临床研究、医学和康复学理论。康复机器人的行为是将使用者与机器人组合成一个复杂的系统。要保证系统的稳定性,运动的平滑性,穿戴的舒适性和不同病人不同阶段的康复运动模式的多样性。本文就将对此类问题展开讨论和研究,针对偏瘫患者的特征设计一款多模式的下肢康复机器人,并对其采用不同的控制策略以达到多种运动模式的目的。首先对于偏瘫患者的临床表现与步态特征做了详细的阐述。要了解他们的运动障碍的来源,才能对症下药,给出适合于他们使用的机器人系统方案。并结合中枢神经的康复理论,给出下肢康复机器人的设计要点。比如在设计机械结构、传感器安置位置、控制率选择、安全舒适性等等方面,都要考虑患者的特殊情况,有针对性地进行设计。接下来,我们根据所提到的要求设计了一种适用于偏瘫患者单腿康复的机器人系统。这是一个能够穿戴在患肢处并利用气动肌肉进行驱动的下肢机器人结构,在髋关节和膝关节设置了可以完成屈伸运动的驱动关节,进行基础步态训练。针对所需考虑的可用性,我们着重设计了机械结构。为了提供机器人的运动状态,我们将在不同位置处安放速度,角度和力传感器,以便提供控制回路中的反馈信号。为了分析系统的可用性,我们需要对其进行控制方法仿真。首先将其简化为一个串联的二连杆机构,利用拉格朗日欧拉方法建立运动学模型,来描述整体系统的动态行为。确立了控制对象,针对康复阶段中的初期和中期,我们提出了不同的控制策略进行运动控制。控制方法研究是论文的核心部分,主要目的是快速并准确地响应设计的康复运动曲线/动态模型,帮助患者恢复关节和肌肉的运动功能。如PD控制与自适应控制,能够进行快速轨迹跟踪,完成被动运动的训练。而阻抗控制,可以进行位置与受力的混合动态控制,以完成康复中期的随动模式。通过不同的控制策略仿真结果,我们对于下肢康复训练机器人的可行性和有效性进行验证,进而为未来的样机设计提供了理论基础。
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