手指康复机器人的机构及其控制方法研究

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1、分类号：TP24密级：公开UDC：编号：201421202046河北工业大学硕士学位论文手指康复机器人的机构及其控制方法研究论文作者：安宁学生类别：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DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringTHERESEARCHOFTHESTRUCTUREANDCONTROLMETHEDOFFINGERREHABILITATIONROBOTbyAnNingSuper

2、visor:Prof.LiuGengqianMay2017摘要手指康复机器人是一种医疗机器人的一个重要组成部分，同时也是对上肢大关节康复机器人的有力补充，主要辅助手指运动功能障碍患者进行手指的屈曲/伸展运动康复训练，帮助患者恢复部分手指自主运动功能。本文根据手指康复需求，研究了一种具有串联弹性驱动器驱动的康复机器人，并针对其运动学、参数优化、力控方法阻抗控制方法以及基于患肢状态评估的模糊控制方法展开了研究。（1）根据人手的生物学结构以及运动学特性，运用D-H法对除拇指以外四指进行运动学模型分析，通过图像处理技术采集人手食指的运动轨迹，为后续的机构设计

3、以及控制打下基础。（2）研究了手指康复外骨骼机器人的机械机构，主要针对执行机构和驱动机构两方面。执行部分采用3D打印的外骨骼，大大降低了重量；设计了一种独特串联弹性驱动器作为驱动部分，使系统具有充分的柔顺性。并且对外骨骼的运动学分析以及验证，最后对样机的可行性进行了实验验证。（3）对串联弹性驱动器的输出阻抗特性以及力控制性能进行了分析，研究结果表明弹性元件的引入在降低系统的输出阻抗同时也为弹簧参数以及控制参数的选择提供了依据，仿真实验证明所采用串级力控方法可以满足要求。（4）结合所设计结构提出基于力的阻抗控制方法，建立了Simulink仿真平台，并且

4、分别进行了低阻抗以及高阻抗两种仿真实验。实验结果表明，通过阻抗参数的调整，所设计手指外骨骼康复机器人可以实现低阻抗以及高阻抗两种康复模式，表现不同的柔顺性。（5）针对现有被动康复的弊端，提出了基于患肢状态评估的模糊控制方法，设计了相应的模糊控制器。通过对患肢运动特征参数的提取以及模糊推理以及决策可以对期望的运动速度进行重新规划，所采用控制方法可以降低运动轨迹偏差同时降低人机交互力的幅值，增加了康复训练过程安全性以及人性化。关键词：康复机器人，机构设计，力控制，阻抗控制，模糊控制IABSTRACTThehandrehabilitationrobotis

5、animportantpartofmedicalrobots,alsoisapowerfulcomplementtotherehabilitationrobotforthelargejointsoftheupperlimb,andthemainroleplaybythehandrehabilitationistoassistthehandmovementsfunctionaldisorderstoconducttheflexion/extensionexerciserehabilitationtrainingoftheirfingers,tohelp

6、patientsrecoverpartofthehandmovementfunction.Basedontherehabilitationtheoryresearch,wedesignedaSEAbasedhandrehabilitationinthispaper,andconcentratedonthekinematicsanalysis,parameteroptimizationoftheserieselasticactuator(SEA)aswellastheforcecontrolmethodresearch,theimpedancecont

7、rolmethodresearchandtheresearchofthefuzzycontrolmethodwhichbasedonlimbstateevaluation.(1)Basedontheanalysisofthebiologicalstructureandkinematiccharacteristicsofhuman'shand,byusingtheD-Hmethodweestablishedthekinematicmodeloffourfingersofhand,expectthethumbforitisdifferentfromthe

8、others.Andthenweanalyzedthetrajectoryofthehumanindexfi