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《华中科技大学》 2011年
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驱动关节在康复机器人中的应用

江先志  
【摘要】:脑卒中等疾病通常会导致患者肢体运动功能障碍,因为上肢康复机器人能够为患者提供有效的康复运动,促进患者肢体运动功能的恢复,所以社会对上肢康复机器人有日益强大的需求。然而,现有的上肢康复机器人还存在很多不足,如康复运动不够柔顺、安全,或是康复运动类型不够丰富等,因此,本文提出了气动肌肉驱动的外骨骼可穿戴式上肢康复机器人,其各关节(即单自由度的气动肌肉驱动关节)均由两根气动肌肉以双端反向对拉方式驱动,并采取了多种康复运动模式,解决了康复运动不够柔顺、安全和运动类型不够丰富等问题。论文的主要研究内容为: 分析了气动肌肉的结构,研究了气动肌肉的静态和动态驱动特性,并对气动肌肉的往返驱动特性作了研究。对气动肌肉驱动关节系统中的张紧装置、钢丝绳与柔性套管间的摩擦力作了分析,研究了气动肌肉驱动关节的单端驱动特性、往返驱动特性,并建立了气动肌肉驱动关节在双端驱动方式下的准静态模型。 依据患者在康复期各阶段的不同症状,提出了气动肌肉驱动关节的位置-位置、位置-力矩、力矩-力矩控制模式,其中,前两者主要应用于人体被动-机器人主动的康复运动(简称人体被动运动,或被动运动),力矩-力矩控制模式则主要用于人体主动-机器人被动的康复运动(简称人体主动运动,或主动运动)。 针对经典PID控制器在气动肌肉驱动关节控制中的响应慢、超调大等问题,采用神经元PID控制器,在线调节控制器参数,提高了气动肌肉驱动关节的控制性能。由于经典PID与神经元PID在气动肌肉驱动关节的阶跃位置与力矩控制中,很难同时达到响应快与超调小,因此采用模糊控制器,提高了响应速度,抑制了超调。并采用模糊神经网络控制器,进一步提高了气动肌肉驱动关节的响应速度。 在气动肌肉驱动关节的轨迹控制中,当气动肌肉驱动关节运动方向改变时,所提出的各类控制器的超调均很大,甚至抖动严重。针对该问题,提出了神经元PID与局部前馈控制结合的复合控制器,有效地抑制了超调,且无抖动。 开发了上肢康复机器人控制系统软件,能对康复机器人进行的主动、被动运动控制,同时记录患者的康复运动信息及数据。此外,采用非特定人语音识别技术,实现了康复机器人的语音控制。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP242

【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前9条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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中国重要报纸全文数据库 前5条
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4 本报记者 刘宇雄;让机器人更好地为百姓服务[N];广东科技报;2010年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 江先志;驱动关节在康复机器人中的应用[D];华中科技大学;2011年
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6 王令军;康复机器人样机研制及步态控制研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 孙洪颖;卧式下肢康复机器人研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
8 伊蕾;助行康复机器人控制策略研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
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10 杨勇;手臂康复机器人系统研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王建;气动肌肉驱动的康复机器人控制系统设计[D];华中科技大学;2011年
2 徐震;外骨骼式下肢康复机器人设计分析与实验研究[D];燕山大学;2012年
3 孔祥战;仿生外骨骼式下肢康复机器人研究[D];河北工业大学;2011年
4 刘洪涛;截瘫患者下肢康复机器人设计与实验研究[D];燕山大学;2010年
5 刘艳辉;具有远程转动中心的踝关节康复机器人分析与设计[D];燕山大学;2010年
6 马俊宝;下肢康复机器人防跌倒控制实验研究[D];沈阳工业大学;2011年
7 吴希瑶;下肢康复机器人机构分析与设计[D];北京工业大学;2011年
8 张勤超;手部功能康复机器人机械系统的设计与研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
9 甘增康;手部功能康复机器人电气控制系统的设计与研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
10 何元飞;脚踏式下肢康复机器人的设计与研究[D];华中科技大学;2011年
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