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穿戴式下肢康复机器人动力学及控制系统研究

张诗德  
【摘要】:穿戴式下肢康复训练机器人是近几年来新兴的医工结合的研究热点之一,其技术领域主要涉及人机工程学、机器人学、机构学、智能控制、信号处理等学科。穿戴式下肢康复训练机器人不仅要求具有一定的机械结构,还应具备充分的“专家经验”,以指导下肢运动功能障碍患者进行康复训练,使其可以帮助或代替康复医师的工作。随着我国人口老龄化程度的加剧及各种老年疾病发病率的明显增加,从事该方面的研究具有很重要的现实意义。 在综合分析了现有康复医学和机器人学领域的研究成果的基础上,本文提出了一套全新的可同时康复双足的可穿戴式下肢康复训练机器人系统。 本文首先介绍了国内外相关领域的技术背景、现状和发展趋势,分析了本课题的研究意义、目的及项目进展的技术难点。通过对人体下肢骨骼和骨骼肌的组成及下肢运动机理的分析,首先进行了机构的自由度配置,然后对各关节的驱动机构进行了构型设计,提出了一款由串-并混连机构驱动的穿戴式下肢康复训练机器人本体模型,然后主要应用旋量理论对穿戴式下肢康复训练机器人各关节驱动机构做运动学分析,最后利用三维机械设计软件Pro/E建立了本设计的3D结构模型。 在对下肢康复机器人做动力学分析时,首先将机器人整体机构合理简化为7杆模型,应用牛顿-欧拉法对简化模型的逆向动力学问题做了求解;分别应用虚功原理法和凯恩方法分析了髋关节的3-RPS机构和踝关节的3SPS/S机构的动力学问题;最后在给定机构的某一运动输出的前提下,对机构的驱动力和约束力做了数值仿真分析。 在控制系统设计方面,以康复医学工程与信号处理领域的基础知识为基础,拟定了康复训练机器人康复训练参考的选择方法及控制系统的输入输出变量,设计了一套基于BP算法的模糊神经网络控制系统,该系统引入了人体关节神经电位参数,具有自学习自适应的特性,为穿戴式下肢康复训练机器人样机控制系统的研制奠定了理论基础。


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