含外部扰动的脚踝康复机器人控制方法研究毕业论文

 2021-11-23 09:11

论文总字数:24026字

摘 要

随着科技发展和经济飞跃,人类寿命逐渐增长,所以当今社会的老龄化问题越来越严重,无法避免的是老年失能人口的上升。然而令人烦恼和惆怅的是专业的康复机构和医师明显供不应求,康复机器人却能够很好地补充这个供需的差距,有效率地服务于患者的康复训练。但是如果康复机器人要能够准确地预计患者的运动意图和轨迹,做出对应的动作来辅助患者,就需要康复机器人的控制方案的控制性能尽可能的高,跟踪误差尽可能的小,且具备抑制外部扰动的能力,鲁棒性和稳定性高。这对患者康复训练的效果至关重要,所以,本文对含外部扰动的脚踝康复机器人控制方法研究,主要研究内容分为以下三点:

  1. 介绍了一种由气动肌肉群驱动的并联结构的具有三个自由度的脚踝康复机器人,研究分析该机器人平台逆运动学模型和动力学模型,介绍该平台的硬件系统和软件系统的设计。
  2. 研究无模型自适应控制的原理,比较该控制方法中不同的动态线性化数据模型,根据所设计的脚踝康复机器人的驱动特性选定了基于紧格式动态线性化的无模型自适应控制方案,并设计对应的控制器,分析控制系统稳定性。
  3. 根据上述控制方案和脚踝康复机器人进行了控制方法的仿真实验以及控制系统的仿真展示。其中控制方法的仿真包括控制算法和偏导数估计算法的在MATLAB平台上的设计和仿真。

关键字:康复机器人,无模型自适应控制,控制系统,鲁棒性

Abstract

With the development of science and technology and the leap of economy, the life span of human beings increases gradually, so the problem of aging is becoming more and more serious in today's society. It is inevitable that the elderly disabled population will increase. However, it is annoying and disconcerting that the professional rehabilitation institutions and doctors are obviously in short supply. However, the rehabilitation robot can well supplement the gap between supply and demand, and effectively serve the rehabilitation training of patients. However, if the rehabilitation robot wants to be able to accurately predict the patient's motion intention and trajectory, and make corresponding actions to assist the patient, it needs the control performance of the rehabilitation robot's control scheme to be as high as possible, the tracking error to be as small as possible, and the ability to suppress external disturbances, with high robustness and stability. This is very important to the effect of rehabilitation training for patients. Therefore, this paper studies the control method of ankle rehabilitation robot with external disturbance. The main research contents are as follows:

  1. This paper introduces a kind of ankle rehabilitation robot with three degrees of freedom, which is driven by pneumatic muscles in parallel. The inverse kinematics model and dynamics model of the robot platform are studied and analyzed. The design of hardware system and software system of the platform is introduced.
  2. 2. Study the principle of model free adaptive control, compare the different dynamic linearization data models in the control method, select the model free adaptive control scheme based on the tight form dynamic linearization according to the driving characteristics of the designed ankle rehabilitation robot, and design the corresponding controller to analyze the stability of the control system.

3. According to the above control scheme and the ankle rehabilitation robot, the simulation experiment of the control method and the simulation display of the control system are carried out. The simulation of control method includes the design and Simulation of control algorithm and partial derivative estimation algorithm on MATLAB platform.

Keyword:rehabilitation robot, model free adaptive control, control system, robustness

目录

第1章 绪论 1

1.1. 研究背景及意义 1

1.2. 相关领域国内外研究现状 2

1.2.1. 康复机器人研究现状 2

1.2.2. 控制系统研究现状 4

1.3. 本文主要研究内容及结构 5

第2章 脚踝康复机器人机构介绍 6

2.1. 气动肌肉的机构和特点分析 6

2.2. 脚踝康复机器人机构和模型 7

2.2.1. 脚踝康复机器人的机构简介 7

2.3. 脚踝康复机器人的软件和硬件系统简介 12

2.3.1. 硬件系统的构成 12

2.3.2. 控制系统的构成 13

2.4. 本章小结 13

第3章 无模型自适应控制 14

3.1. 引言 14

3.2. 基于紧格式动态线性化的无模型自适应控制 15

3.2.1. 控制系统的控制算法 15

3.2.2. 控制系统中PPD的估计算法 16

3.2.3. 控制系统的控制方案设计 17

3.2.4. 控制方案的稳定性分析和研究 17

3.3. 本章小结 20

第4章 脚踝康复机器人的控制系统仿真 21

4.1. CFDL-MFAC算法仿真 21

4.1.1. MATLAB平台简介 21

4.1.2. CFDL-MFAC仿真研究 22

4.2. 控制系统的软件仿真 25

4.2.1. LabVIEW平台简介 25

4.2.2. 控制系统在软件上的设计 26

4.3. 本章小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1. 工作总结 29

5.2. 工作展望 29

参考文献 30

致谢 32

绪论

研究背景及意义

根据Standard Chartered Bank在2017年的一项研究报告,预测不超过三十年的时间,中国就会从老龄化社会发展到高龄社会,最终会在2035年进入超高龄社会。显而易见,人们的寿命随着社会和科技的进步而得以延长,但是相伴而来的是人口老龄化的加快和运动功能障碍人口的上升。虽然国家对于老人口老龄化问题非常关注,且投入了很多,但是由于社会各方面的因素,中国老年人口的生活状态仍不算乐观。截至2016年,中国的失能/半失能老年人占老年人口近百分之十九。中国大于六十岁的老人人口已超2亿,多数老人都遭受着中风、偏瘫等多种疾病的困扰,这种情况下,除了前期的药物治疗,后续的康复治疗和训练都是极为关键的一个环节。

然而,超过现有的7000中国康复医疗机构可以提供康复培训的仅占不到三分之一。根据2014年的一项数据显示,在中国现有的两千多万的肢体残疾人群当中只有非常小的一部分人(大约三十多万人)可以得到相应的肢体康复训练,不乐观的是,这些人的康复训练的效果和结果各异,也就是说,现阶段无法有效地控制康复训练的效果。另外,巨大的供需缺口也横亘在康复设备的供应和临床上的需要之间。治疗师们都非常急切地需要先进的康复设备和康复训练的技术。很多心脑血管疾病的患者在术后都需要精准的康复训练,最常见的骨折也需要后期的康复训练,可以看到康复治疗的需求量之大,不幸的是现阶段康复方面的工作和资源在国内还是难以达到需求。尤其是这些年来人工康复的资源稀缺而且患者使用人工康复的成本太大,医疗康复已成为需要迅速解决的社会问题。所以,康复机器人的应用对于上述问题有重大的意义,因为机器人在康复医学领域的应用不仅可以更精准地保证康复训练的效果和质量,同时缓解人工压力。

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