桌面式上肢康复机器人控制研究

中风引发的肢体运动功能丧失是成年人残疾的主要原因之一，严重影响患者日常生活。通常患者需要在医生的帮助下进行康复治疗。康复机器人是机器人技术与临床康复技术的结合，用来辅助患者完成运动功能康复训练。与传统的康复训练相比，使用康复机器人进行运动功能训练可以提高康复效果，缩短训练周期，并且可以将治疗师从体力劳动中解放出来，提高康复效率。同时康复机器人系统的位置和力传感器能够客观记录运动训练过程和康复进展，为进一步康复治疗和研究提供有价值的数据。 本文综述了临床运动康复治疗的由来和发展，并分析了康复机器人技术的发展现状。在对国际现有的上肢康复机器人的机构，控制策略及临床使用的分析和比较基础上，针对上肢运动功能障碍患者康复训练需求，提出并设计了一种新型桌面式主动上肢康复机器人系统。 本研究以桌面式上肢康复机器人为研究对象，建立了机器人机械机构和硬软件系统，对机器人系统控制方法和技术展开了研究工作，并在实验中验证了该康复机器人系统的有效性。本文重点讨论了传感器数据融合技术，机器人位置控制和触觉控制。本文的主要内容和创新点如下： 1．提出并设计了一种新型桌面式主动上肢康复机器人系统。系统以全方位移动机器人作为运动平台，能够为患者提供平面上三自由度主动式上肢康复运动训练，支持家庭环境内的康复运动训练，从而可以增加康复时间和强度，降低康复费用。 2．针对传统的三轮驱动的全方向移动平台尺寸较大的缺点，原创性地提出了一种正三角式布局的三轮全方向移动平台，减小了平台尺寸，并推导出了该平台的运动学和动力学方程。 3．为获得准确的机器人位置信息，设计了基于卡尔曼滤波器的传感器数据融合算法。该算法通过机器人运动学模型，把光电编码器得到的电机转速映射为全局坐标系下的机器人平移速度和转动速度，并与位置传感器获得的数据结合起来，得到机器人的位置估计。实验结果表明该算法能够实时地获得机器人位置和转动角度。 4．为实现机器人的全方位移动性，设计了双环级联式的位置控制方法。速度内环中，建立了电机模型，使用三个独立PI控制器控制电机转动速度。位置外环建立了以速度模型和机器人运动学模型为基础状态空间模型，并采用了离散的线性二次调节器实现了状态空间反馈控制。该控制方法在实验中得到验证，结果表明机器人能够精确跟随参考轨迹运动，位置控制满足康复运动训练要求。 5．为获得患者运动训练时肢体与机器人接触的柔顺性，本文对触觉控制策略进行了深入地分析和研究。系统采用导纳控制策略实现了机器人柔顺性控制，即把检测到的接触力通过导纳模型转化为机器人相应的运动。同时为辅助患者上肢完成运动训练任务，设计了虚拟辅助方案。通过正常人的运动辅助训练实验表明，康复机器人实现了触觉控制及虚拟辅助。