一种腰部康复机器人的结构设计与控制研究

摘要

随着科学技术的发展，康复医疗在患者的治疗周期中所占比重越来越大，其中基于智能运动康复机器人进行辅助治疗是康复医疗的主要发展方向之一。本文基于现有的腰部康复运动体操的主要肢体运动形式，设计了一种腰部康复机器人。对机体进行了运动学建模和力学特性分析，并通过样机进行了实验验证。全文主要内容如下: (1)论述课题研究的背景以及康复机器人国内外发展的现状，讨论了康复医学理论中关于腰部运动康复的主要方法，总结出腰部康复机器人设计要求。基于人体工程学，设计了一种腰部康复机器人。该机器人具有6个自由度，包括脊柱部分的屈伸、侧弯和旋转3个自由度，腰椎部分的屈伸1个自由度，以及髋关节和膝关节的屈伸2个自由度。 (2)本文首先对康复机器人脊柱运动机构基于D-H法进行了运动学分析，得到了康复机器人上身部分的运动学方程，并对工作空间进行了仿真。其次对腰椎屈伸机构以及下肢屈伸机构进行了运动学建模与力学特性分析，并通过仿真分析了各部分位移、速度以及驱动装置受力变化情况。最后对下肢部分运动过程中的受力峰值进行了结构尺寸优化，降低了机器人在运动过程中对患者的刚性冲击。 (3)在完成了对腰部康复机器人的各个运动机构部分在运动过程中的运动学仿真、工作空间轨迹、运动范围、力学特性分析以及结构优化设计的基础上，对其进行控制系统设计。通过串口发送指令，完成各个部位的步进电机位置以及速度的运动控制，实现康复机器人的关节运动范围设定，运动方案选择以及各部件初始复位。 (4)在重新构建样机整机结构的基础上，通过3D打印出各零部件、Arduino单片机、步进电机以及驱动模块搭建出样机实验平台。通过PC上位机发送指令，测试所制定的运动方案在实验样机上的运动可行性。对各机构单轴运动进行位移测试实验，并与理论曲线进行对比，验证样机运动的精确性。

目录

声明

摘要

1．1课题背景及意义

1．2康复机器人国内外研究现状

1．2．1上肢康复机器人研究现状

1．2．2下肢康复机器人研究现状

1．2．3腰部康复机器人研究现状

1．3本文结构框架及主要内容

1．4本章小结

第2章腰部康复机器人整体结构设计

2．1腰部康复运动方案设计

2．1．1人体解剖学基本知识

2．1．2腰部运动康复原理

2．2腰部康复机器人整体方案设计

2．2．1康复机器人的设计要求

2．2．2康复机器人的整体布局

2．2．3康复机器人的参数设计

2．3腰部康复机器人机构设计

2．3．1康复机器人脊柱运动机构设计

2．3．2康复机器人腰椎后伸运动的机构设计

2．3．3康复机器人下肢屈伸运动的机构设计

2．4本章小结

第3章腰部康复机器人的运动学与力学分析及优化

3．1康复机器人脊柱运动机构运动学理论分析的方法

3．1．1空间任意点的位姿描述

3．1．2连杆参数及连杆坐标系的建立

3．1．3运动方程的建立

3．2脊柱运动机构的运动学方程建立与仿真分析

3．2．1基于D-H法坐标系的建立

3．2．2运动学方程的建立

3．2．3基于MATLAB的运动学仿真分析

3．2．4脊柱运动机构的工作空间仿真分析

3．3腰椎后伸与下肢屈伸机构的运动学分析

3．3．1腰椎后伸机构运动学分析

3．3．2下肢屈伸机构运动学分析

3．4腰康复机器人力学模型建立与仿真分析

3．4．1腰椎后伸机构力学特性分析

3．4．2下肢屈伸机构力学特性分析

3．5下肢屈伸机构结构尺寸优化

3．5．1下肢屈伸机构优化模型建立

3．5．2结构尺寸优化仿真与分析

3．5本章小结

第4章腰部康复机器人控制系统的设计

4．1腰部康复机器人的控制系统的总体设计

4．2腰部康复机器人硬件系统的设计

4．2．1 Arduino单片机

4．2．2步进电机驱动

4．2．3步进电机

4．2．4限位开关

4．3腰部康复机器人软件的设计

4．3．1步进电机的控制原理

4．3．3控制程序设计

4．3．4串口通信

4．4本章小结

第5章腰部康复机器人的样机实验研究

5．1实验目的

5．2实验内容

5．2．1样机平台实验

5．2．2运动控制实验

5．2．3关节运动位移实验

5．3本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

附录