上肢康复机器人关节电机滑模变结构控制方法研究

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进入21世纪以来,社会不断的发展、人们的物质生活有了很大的提高,人类疾病的问题也在不断增加。偏瘫患者大多由脑卒中疾病引起的,且发病率呈现上升趋势,偏瘫患者生活不能自理,直接给家庭和社会带来了沉重的压力。人们对生活质量要求的提高,对健康生活的重视使得一些康复医疗器械不断涌现。在目前,将机器人与康复医学工程的结合是国内外研究的热点。在一些康复医疗医院,患者进行训练主要依靠一些简单器械,并且还需要专业的医师指导,这些都不能满足智能化的需要。本文在研究人体上肢运动机理和康复医疗理论的基础上,结合当前国内外对康复机器人的研究发展现状,结合机电控制理论,以能够较好的完成偏瘫患者上肢康复训练为目的,对其电机驱动控制系统进行研究。针对上肢康复机器人,分析总体系统方案,确定机器人的整体结构,选择电气控制的驱动方式,选用无刷直流电机作为驱动电机,并针对无刷直流电机控制系统中的位置控制器进行设计。本文的研究内容主要有:首先,介绍了本文的研究背景及意义,论述总结了无刷直流电机及其控制策略现阶段的研究状态和未来的发展方向。其次,在给出了无刷直流电机结构组成和工作原理的前提下,通过公式推导得到了电机的数学模型,并利用MATLAB/Simulink对无刷直流电机控制系统进行了仿真模型的搭建,通过仿真验证模型的正确性。最后,针对传统滑模控制位置控制器不能很好地满足无刷直流电机这种变量多、耦合强、复杂系统的控制精度要求,结合数学模型设计了基于干扰观测器(Disturbance Observer,DOB)的滑模控制器,并将其应用于上肢康复机器人驱动电机的位置控制。结果表明,该控制器可使系统状态在有限时间内收敛到期望值,改善了系统稳态跟踪速度和控制精度效果。
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