桌面式上肢康复机器人控制系统的设计与实现

近几年,中风病人的数量日益增多,运动障碍是在中风后常见的后遗症。目前,恢复这些丧失功能最常用的方法是康复治疗师对患者患肢进行康复训练。而康复治疗师的严重短缺,大部分患者错过了最佳的康复时期。用机器人代替康复治疗师的部分工作是很好的一个解决办法。使用康复机器人进行康复,可以提高康复效果,缩短训练周期,并且可以记录训练过程中的各项数据,为后期的康复评价提供依据。但是目前的上肢康复机器人存在可靠性和安全性低、体积大、训练模式单一、成本高的缺点,因此研究一款适合在中小医院或者患者家庭中使用,性价比高的上肢康复机器人尤为重要。根据中风的康复治疗理论,在分析国内外康复机器人研究现状的基础上,从康复训练功能、控制策略、安全性等几个角度提出总体要求。根据目前康复机器人存在的缺陷,按照要求设计了一种新型上肢康复机器人,主要工作包括如下方面:1、给出一种桌面式上肢康复机器人整体方案,采用3个连续切换式全向轮为全方位移动底盘、STM32为主控板,附加位置传感器和力传感器,可以提供三种模式的运动,实现与上位机通信、位置检测和接触力控制。该机器人支持家庭环境内的康复运动训练,从而可以增加康复时间,降低康复费用。2、为了获得准确的机器人位置信息,分析了常见位置传感器的优缺点,利用光电鼠标传感器高精度、实时性好、适合短距离定位的特点,将光电鼠标传感器应用到桌面定位系统中。对机器人进行运动学和动力学建模,采用双闭环对机器人进行位置控制,实验结果表明位置控制满足康复训练要求。3、为了控制患者对康复机器人的接触力,建立直流电机模型,并利用限幅滤波和一阶滞后滤波相融合的算法对三维力传感器采集的信号进行滤波。在分析常规PID控制性能的基础上,设计一种模糊PID控制器,改善了接触力控制的平稳性和快速性。4、为了使机器人在被动模式下具有柔顺性,设计了基于位置阻抗的柔顺控制方案,即将检测到的接触力通过模型转换为位置的调整量,从而改变预期的轨迹。使用MATLAB的Simulink软件设计模型,最后通过仿真分析验证了阻抗控制的有效性。