基于极点配置算法的下肢康复机器人控制系统设计

针对目前下肢康复机器人控制系统设计时,存在的参数配置复杂、忽略踝关节的康复训练等问题,提出了一种基于极点配置算法的下肢康复机器人控制系统。根据下肢关节机械结构非线性运动,采用极点配置算法设计控制器,通过z变换对设计的控制器进行离散化处理,在以ARM-M3为内核的STM32微控制器中实现位置闭环控制。STM32微控制器通过串口协议与上位机通信,实现触摸屏控制微处理器,从而控制下肢康复机器人的运动模式。并实时地把各关节的角度信号和作用力信号传输到上位机进行曲线显示。实验对8名被测者在不同减重比下的被动行走训练进行测试,通过分析关节角度曲线和关节驱动力曲线,该控制系统能够实现下肢康复机器人在不同康复训练模式下协调平稳的控制。并能满足一定康复训练要求。

上下肢康复机器人的结构与控制系统设计

为更好地辅助中风偏瘫患者进行早期康复治疗,基于上下肢运动神经耦合理论,研制了一款上下肢康复机器人。首先,依据康复医学相关理论对上肢和下肢康复装置进行结构设计,并对下肢康复装置中的踝关节康复装置和下肢长度调整装置的机械结构进行详细介绍。然后,采用极点配置法建立位置闭环控制系统,实现上下肢康复机器人的被动联动运动。最后,招募4名健康的测试者进行上机测试。实验结果表明,该机器人实现了上下肢关节同步被动运动,且上下肢各关节运动轨迹误差不超过1.50°,说明其运动轨迹跟踪效果良好。该上下肢康复机器人可以实现双侧肩、髋、膝和踝关节共8个关节的联动运动,有望为偏瘫患者提供更好的早期步态康复治疗。

正常人体步态的动力学仿真与分析

为研究人体正常行走时的步态,利用Simulink/Sim Mechanics对人体下肢进行动力学仿真与分析。首先以二连杆机构为基础进行动力学仿真建模,并设定模型参数,将模型仿真的结果与利用拉格朗日方程求解的逆动力学结果进行对比,若两者一致即证明模型具有正确性。据此建立单侧下肢正常行走的仿真模型,对模型的有效性以及地面反力对正常步态的影响进行仿真分析。试验结果显示,下肢在正常受力下仿真得到的总力矩面积与真实实验的总力矩面积的偏差为23%,证明模型是有效的;在有无受到地面反力下仿真得到的总力矩面积的偏差为89%,表明地面反力对正常行走步态具有重要影响。

下肢康复机器人的运动控制设计

因下肢康复机器人结构设计的差异性,导致了其控制方法的多样化。针对本文的下肢康复机器人,提出了一种简单的控制方法使其沿规划轨迹进行运动。为进行控制器的设计,需要先求得机器人系统的固有传递函数。通过分析发现该系统为非线性系统,利用实验的方法近似求得其传递函数,从而转化为线性系统的控制问题。之后利用极点配置法将系统配置为一个临界阻尼二阶系统,逆推求得系统控制器的传递函数。通过对机器人的髋关节运动控制系统进行测试,测试结果表明:设计的控制器能够很好地满足实验要求。