踝关节康复机器人概念化设计及其控制策略研究

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1、硕士学位论文踝关节康复机器人概念化设计及其控制策略研究THECONCEPTUALDESIGNOFANANKLEREHABILITATIONROBOTANDRESEARCHONITSCONTROLSTRATEGY尹诗明哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：621.865.8密级：公开工程硕士学位论文踝关节康复机器人概念化设计及其控制策略研究硕士研究生：尹诗明导师：丛大成申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单

2、位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.3U.D.C:621.865.8DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHECONCEPTUALDESIGNOFANANKLEREHABILITATIONROBOTANDRESEARCHONITSCONTROLSTRATEGYCandidate:YinShimingSupervisor:CongDachengAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpe

3、cialty:MechanicalEngineeringAffiliation:SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence:June,2016Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要人类的踝关节所处的力学环境极大地增加了它受到损伤的几率，使得它在人体运动损伤中相当常见。另外，手术后恢复、中风、脊髓损伤、脑颅损伤等神经系统受损也都可能造成踝关节运动障碍。患者人

4、数相当多，因此，亟待引入康复治疗。目前，康复治疗依赖理疗师，不仅理疗师工作强度大，治疗方式的量化和精确性也没有保障。所以，对踝关节康复机器人的需求相当迫切。本文从解剖学、神经康复学角度论证了康复训练的必要性和有效性，并提出一种基于Stewart平台的踝关节康复机器人，能够实现踝关节三个旋转方向的康复训练。分析了Stewart平台的运动学运动学反解，用逆Broyden秩1法做了运动学正解获得了平台的实时位姿。此外，对单刚体动力学模型也进行了分析。随后，以工作空间内雅可比矩阵条件数为优化目标函数用遗传算法对机器人

5、的结构进行了优化设计。确定结构参数后，建立了Adams模型，并通过和Simulink联合仿真完成了机器人的铰点空间控制。铰点空间控制达到了较好的特性，频宽达到4Hz左右。将铰点空间控制模型当成系统内环，引入人机作用力，提出了一种全新的智能柔顺控制策略，并通过联合仿真验证了该策略在踝关节被动训练中的有效性。所提出的柔顺控制策略能满足在人机作用力较小时，保证位姿跟踪精度；当人机作用力较大时，保证柔顺性，在康复机器人领域非常适用。此外，将单神经元自适应PID控制策略应用在踝关节主动训练中也取得了很好的效果，能够在患

6、者主动运动时使人机作用力矩基本维持在给定值。最后，通过实验对踝关节康复机器人的性能进行了测试。关键词：踝关节康复；Stewart；结构优化；柔顺控制；自适应力控制I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractThemechanicalenvironmentofanklemakesiteasilyhurt.Inaddition,surgery,stroke,spinalcordinjury,cranialtraumaandotherneurologicaldamagecanalsocausedyskinesi

7、aofankle.Thehugenumberofpatientsleadstotheurgentcallforrehabilitation.Currently,rehabilitationreliesontherapists,whichisnotonlytoughwork,butalsoinsecureduetothelackofaccuracy.Therefore,thedemandforanklerehabilitationrobotisquiteurgent.Firstly,thispaperverif

8、iedthenecessityandeffectivenessofrehabilitationbasedonanatomyandNeurorehabilitation,thenproposedananklerehabilitationrobotbasedonStewartplatform,enablingtherehabilitationofankleforthreerotationaldirect