气动肌肉驱动的康复机器人控制系统设计

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1、华中科技大学硕士学位论文气动肌肉驱动的康复机器人控制系统设计姓名：王建申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：孙容磊2011-01-18华中科技大学硕士学位论文摘要气动肌肉是一种新型驱动元件，重量轻、初始力大，具有良好的柔顺性和安全性，驱动特性类似于生物肌肉，因此在康复医疗领域受到重视。针对气动肌肉在康复机器人上的应用，本文主要研究气动肌肉的静态模型以及由气动肌肉驱动的康复机器人关节静态模型，设计康复机器人关节位置控制的模糊控制器，搭建基于STM32的康复机器人嵌入式控制平台，实现康复机器人的控制。论文主要研究内容及取得的成果如下：首先，以FESTO公司的MAS-20型气

2、动肌肉为研究对象，介绍气动肌肉驱动特性研究的实验平台与数据获取方法。根据所得到的数据建立了MAS-20型气动肌肉的实用静态模型，并分析了该型气动肌肉的刚度特性。在此基础上，得到康复机器人关节的静态模型，分析了康复机器人关节刚度特性。其次，分析了气动肌肉驱动的康复机器人关节位置控制的特点，采用模糊控制方法实现了康复机器人关节的位置控制，给出了位置模糊控制器的设计方法，并借助Matlab模糊控制工具箱，在Simulink环境下完成了关节位置模糊控制器的建模、仿真与系统测试，得到模糊控制表，设计出关节位置模糊控制器。再次，对康复机器人的嵌入式控制系统进行需求分析，完成嵌入式控制系统的

3、硬件总体设计以及各个模块的元器件选型与实现方案，完成了主要电路的详细设计、制版及电路调试。最后，分析了康复机器人嵌入式控制软件需求，完成了系统控制软件框架设计，详细设计了安全监控程序、控制模块的AD/DA程序、模糊控制程序、通信模块的串口通信程序，完成了信息存储模块的文件系统FatFS的移植、网络通信的精简协议栈uIP的移植等。关键词：气动肌肉康复机器人模糊控制STM32I华中科技大学硕士学位论文AbstractThepneumaticmuscleactuator(PMA)isakindofnewdrivecomponentwithcharacteristicsoflightw

4、eight,biginitialforce,goodflexibilityandsecurity.Ithaspropertiessimilartobiologicalmusclesandgetsspecialattentioninthefieldofrehabilitationmedical.InthispaperwemainlydiscusstheestablishmentofthestaticmodelofthepneumaticmuscleactuatorandthestaticmodeloftherehabilitationrobotjointdrivenbyPMA,d

5、esignofafuzzycontrollerforpositioncontrolofrehabilitationrobotjoint,anddesignofanembeddedcontrolsystembasedontheSTM32.Themajorresearchofthispaperincluds:First,thispaperdescribesexperimentalplatformanddataacquisitionoftheMAS-20,apneumaticmuscleactuatorproducedbyFESTO.Basedonthedatawegetstatic

6、modelofMAS-20pneumaticmuscleactuatoranditsstaticstiffnessmodel.AndfurtherwegetstaticmodelandstaticstiffnessmodelofrehabilitationrobotjointdrivenbytheMAS-20.Secondly,byanalyzingofthecharacteristicsoftherehabilitationrobotjoint,thispaperproposesfuzzycontrolstrategyforthejointpositioncontrol.Th

7、edesignofthefuzzycontrolleriscompletedwiththehelpoffuzzycontroltoolboxofMatlab.Thirdly,functionsneededbyembeddedcontrollerforrehabilitationrobotarestudied.Basedonthefunctionanalysis,hardwareoveralldesignoftheembeddedcontroller,aswellasdetaileddesig