下肢康复机器人控制系统的研究与实现

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康复机器人技术是近年来快速发展的一个领域,贯穿了生物力学、电子学、康复医学、计算机图形学、机械学、计算机视觉、材料学、数学分析以及机器人学等诸多领域。随着科学技术的不断进步,人们将日益成熟的机器人技术与传统的康复治疗方法结合起来研发设计了下肢康复机器人,它可以模拟正常人的行走步态,使之能够代替康复医师帮助患者实施有效的康复训练,同时由于机器人动作精度高、“不知疲倦”等特点,能够大大增加患者进行康复训练的时间,提升患者的训练效果和效率。本课题主要是从分析人体的正常步态出发,设计了一款仿人体行走步态的下肢康复训练机器人,并实现了控制系统对各种康复训练模式的控制。本文首先对国内外的下肢康复机器人的发展状况以及控制系统的发展现状进行了分析和研究,为了能够实现设定的各种康复控制策略,设计了一套整体的控制系统,为下一步具体实施奠定了基础。在详细分析本课题所研究的下肢康复机器人主体结构的基础上,确定了本下肢康复机器人的四种康复训练模式,并根据各种康复训练模式的特点,确定了合理的控制方法;经过进一步的计算,选用直流无刷电机作为整个控制系统的驱动源,并采用PID速度调节控制方法对电机进行控制,以保证电机满足精度高、响应快、超调量小的要求。通过对各种康复控制策略的具体分析以及控制系统需要满足的一些准则,首先对控制系统的硬件组成进行了选型。为了满足处理系统响应的快速性和数据处理的高效性,我们选择STC12C5A60S2单片机作为控制系统的处理芯片;电机的运转速度是控制系统中最主要的控制参数,因此通过安装在电机输出轴上的光电编码器实时检测并显示电机的转速是控制电路设计中的重要部分。在上述理论研究的基础上,利用选好的控制系统的硬件,组成一套简单的控制系统,将在软件环境中仿真成功的程序下载到控制系统中,观察实验结果。经验证,该控制系统能很好的完成一部分所设定的康复训练任务,系统运行稳定,响应迅速,为以后的研究工作打下了基础。
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