二自由度踝关节康复器控制研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文二自由度踝关节康复器控制研究硕士研究生：路天宇指导教师：王岚教授学科、专业：机械工程论文主审人：张立勋教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文二自由度踝关节康复器控制研究硕士研究生：路天宇指导教师：王岚教授学位级别：工学硕士学科、专业：机械工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.EngResearchonControlof2-DOFAnk

2、leRehabilitationDeviceCandidate:LuTianyuSupervisor:Prof.WangLanAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechanicalEngineeringDateofSubmission:Jan.2018DateofOralExamination:Mar.2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献

3、的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内

4、容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文(□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字)：导师(签字)：日期：年月日年月日摘要踝关节是人体下肢极其重要的关节，其受损的几率极大，对人们工作生活产生极大的限制与不便。在康复医疗人力资源不足的情况下，如何有效的辅助患者进行踝关节康复训练是康复领域的重点。应用康复机器人替代理疗医师，对患者进行更有效的踝关节活动度与肌肉力量恢复是解决问题的热点方向。由此，本文在分析总结相关领域研究的特点与缺陷

5、的基础上，针对一种全新结构的踝关节康复器进行其控制系统研究，确立了康复器的整体控制方案。结合解剖学与康复医学，确定了不同康复阶段有效的训练模式，分别为连续被动模式、牵拉模式、恒阻模式、弹簧模式、助力模式与柔顺模式。根据各模式功能要求，设计康复器各训练模式的伺服控制方案。根据踝关节康复器的结构设计方案，考虑患者踝足对康复器的影响，对踝足与康复器进行运动、力学建模，通过运动与受力分析、完成电机校核工作。在此基础上，针对不同康复模式，对康复器进行控制研究。在被动训练模式中，完成基于PD控制器的位置闭环控制设计，对连续被动训练模式与牵拉模式的给定轨迹进行轨迹规划；对于主动抗阻训练模式中的恒阻模

6、式与弹簧模式，设计了PI控制器进行电流闭环控制；在半主动助力模式中，设计电机对人主动能力识别与控制器切换算法；针对柔顺模式，设计外环位置闭环、内环力跟随闭环的双闭环控制器。对所有训练模式完成控制系统建模仿真并对仿真结果进行分析，各仿真结果验证了各控制方案的有效性。根据康复器控制系统功能要求，完成基于ARM微控制器的伺服电机驱动硬件电路设计，搭建系统整体控制工作流程逻辑，完成电机驱动器软件底层程序搭建与控制程序嵌入工作。利用dSPACE平台建立实验环境，选取实验对象，对康复器进行人机试验，包括被动模式实验、主动抗阻模式实验、半主动助力模式实验与柔顺模式实验。实验实现了各模式功能，得到的结

7、果与仿真相似，验证了所设计控制器的有效性。关键词：踝关节；康复训练；控制系统建模；ARM；半物理仿真AbstractAnklejointisextremelyimportantjointofthehumanlowerlimbsandtheinjuriesofanklearequitecommon,whichbringmuchlimitationandinconvenienceinpeople’slives.Inthecaseofshortage