下肢康复机器人设计及运动控制研究

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1、硕士学位论文下肢康复机器人设计及运动控制研究RESEARCHONDESIGNANDMOTIONCONTROLOFLOWERLIMBREHABILITATIONROBOT张辉哈尔滨工业大学2018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下肢康复机器人设计及运动控制研究硕士研究生：张辉导师：纪军红申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.3U.D.C:6

2、21.865.8DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONDESIGNANDMOTIONCONTROLOFLOWERLIMBREHABILITATIONROBOTCandidate：ZhangHuiSupervisor：JiJunhongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeri

3、ngDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要由于中风、老龄化等因素引起的偏瘫患者日益增多，康复医师的数量相对较少，面临的压力与日俱增，并且传统的康复治疗过程多为繁重重复的体力活，治疗周期比较长，对医生的耐力有着很高的要求，因此迫切需要寻求代替品来代替医师帮助患者进行康复训练。康复机器人技术的发展，给医生带来了曙光，给患者进行康复训练带来了希望。本文在参考了大量的相关文献的基础上，

4、设计一款简单易用的踏板式下肢康复机器人。在康复机器人结构设计上，本文对下肢传动机构进行了详细的分析，讨论了各种传动方式的利弊，综合考虑，采用了蜗轮蜗杆传动；对驱动方式进行了详细的探讨，确定了最终的电机驱动方案。传动方式和驱动方式确定之后，本文对人机交互力矩进行了估计，配合动力学仿真确定了所需电机的额定力矩和减速比，挑选了合适的伺服设备，最后给出了整机的三维图模型。为了患者可以更好地进行训练，本文在了解了人体下肢运动机理后，对人体下肢进行了简化，建立了人机一体化运动模型，基于此模型，利用矢量法建立了人机运动学模型，在matlab平台

5、进行仿真验证了运动学模型的正确性；利用拉格朗日动力学方程建立了人机动力学模型，为接下来的控制算法的研究提供了理论基础。在控制算法上，本文把将要实现的三种控制模式分为两类，其中被动训练模式为位置控制，主动和助动训练模式为力控制。针对位置控制，本文详细的研究了PID控制算法和计算力矩法，并且对PID控制算法和计算力矩法进行了仿真，分析了仿真所得到结果的原因，并对运动控制进行了优化，使得下肢髋膝关节角速度变化比较均匀，没有剧烈的冲击感；针对力控制，本文详细的研究了阻抗控制、自适应控制、模糊控制以及它们之间组合的算法，在主动和助动训练模式

6、下，利用阻抗控制算法进行了仿真，同时把患者的关节主动力当做扰动对PID和计算力矩法进行了仿真。仿真结果显示，在患者下肢有主动力存在时，电机驱动力矩会相应地减小，配合患者进行运动；当患者下肢的主动力足够带动自身运动时，电机便会施加反向力矩以增强患者的肌肉力量，而PID和计算力矩法却无法抵消过大的扰动，导致曲柄转速波动幅度较大。总体来说，本文提出的算法能够实现这三种运动模式。最后本文给出了系统总体控制方案，为以后进行硬件电路连接提供参考。关键词：下肢康复机器人；结构设计；人机模型；阻抗控制‐ I‐ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Abs

7、tractDuetotheincreasingnumberofpatientswithhemiplegiacausedbyfactorssuchasstrokeandaging,thenumberofrehabilitationphysiciansunderthetremendouspressureisrelativelysmall.Thetraditionalrehabilitationandtreatmentprocessesaremostlyheavyandrepetitivephysicaltasks.Thetreatme

8、ntcycleexpendslongtimeandtherearehighrequirementsoftheenduranceofthedoctor.Sothereisanurgentneedtoseekalternativestoreplacep