基于阻抗控制的踝关节康复并联机器人柔顺控制研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：201321202023河北工业大学硕士学位论文基于阻抗控制的踝关节康复并联机器人柔顺控制研究论文作者：李晨学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：机械工程指导教师：刘更谦职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheDoctor/MasterDegreeofMechanicalEngineeringTheflexiblecontrolresearchofanklerehabilita-tionparallelrobotbasedonimpedancecontrolbyLiChenS

2、upervisor:Prof.LiuGengqianMarch2016I摘要踝关节康复机器人是一种辅助踝关节功能性运动障碍的患者进行康复训练的智能医疗设备，它是医疗机器人的一个重要组成部分，能够很大程度地提高患者康复效率、改善康复效果，这在减轻家庭和社会负担方面有着重要的作用和价值。本课题所研究的是3-RSS/S型踝关节康复并联机器人，其具有三个转动自由度，能够实现人体踝关节三个方向的旋转运动，针对其所要进行的主要工作包括：（1）根据本课题组所研究的康复并联机器人的功能需求及踝关节损伤后的康复训练特点，提出了机器人的柔顺控制方法。（2）运用D-H法确定踝部关节的运动学模型，为康复机器人

3、的进一步研究打下基础。建立康复机器人的Matlab/SimMechanics模型及其所使用的直流力矩电机的Matlab/Simulink模型，以此为基础搭建整个系统的仿真平台。（3）对机器人的柔顺控制方法进行了对比分析并最终选用了阻抗控制方法。对阻抗控制方法中的两种模式：基于位置和基于力的阻抗控制进行了分析。针对基于位置的阻抗训练模式建立了系统的Simulink仿真平台，并进行了相应仿真分析，由仿真结果可得，所设计的阻抗控制器可以实现康复机器人动平台的训练轨迹控制，而且具备一定的柔顺性。通过阻抗参数的调整，可以使机器人呈现出不同的柔顺特性。（4）针对患者的不同康复阶段设计相应的阻抗参数

4、自调节模糊控制器。该模糊控制器能够根据制定的模糊规则，选取最佳的阻抗参数，并可以根据接触环境刚度的改变对阻抗参数进行在线调整，使整个系统呈现出更好的抗干扰能力和良好的动态性能。本文以Matlab/Simulink为仿真平台，针对所选用的阻抗控制方法进行实验分析及验证。并初步论证了机器人阻抗控制方法的可行性。主要目的是实现踝关节康复机器人的柔顺控制，避免使用者在使用过程中发生二次损伤。关键字：康复机器人，踝关节，柔顺性，阻抗控制，模糊控制器IIIIIIABSTRACTAnklerehabilitationrobotisakindofintelligentmedicalequipment,

5、whichassistspatientswithfunctionaldisorderedanklejointtocompleterehabilitationtraining.Itisanimportantpartofthemedicalrobot,whichcangreatlyimprovetherehabilitationefficiencyandeffect,soit’simportanttoreducethesocialandfamilyburden.Beingtheresearchsubject,the3-RSS/Sanklerehabilitationparallelrobo

6、thasthreerotationdegreesoffreedom,whichcanachievethreedirectionsoftherotarymotionofhumanankle.Aboveall,thepaper’smainworkcentringontherobotincludes:(1)Accordingtothefunctionoftherehabilitationofparallelrobotstudiedintheresearchgroupandrehabilitationtrainingcharacteristicsofinjuriedankle,theflexi

7、blecontrolmethodofrobotisputforward.(2)ItusestheD-Hmethoddeterminingthekinematicmodeloftheanklejoint,whichlaiesthefoundationforthefurtherresearchoftherehabilitationrobot.Furthermore,itbulidstheMatlab/Simulinkmodelofrehabilit