上肢康复训练机器人系统研制.doc

摘 要
随着机器人技术的发展，将机器人辅助治疗技术应用到中风患者的康复训练中，已经受到了国内外研究人员的重视，并逐渐成为康复工程领域研究的重要课题和热点。具有重要的研究意义和应用价值。
本文主要研制了一套上肢康复训练机器人系统，并对其柔顺控制策略进行了研究，具体工作如下：
1、根据国内外上肢康复机器人的发展状况，提出了上肢康复训练机器人系统的总体设计方案。主要包括机械结构设计、安全性设计、机器人控制系统方案的设计、传感器及电机的选择等，介绍了系统的四种训练模式并确定了控制系统所采用的控制策略。
2、设计了康复训练机器人控制系统的硬件电路，主要包括：电源电路、传感器数据采集电路以及电机驱动电路等。
3、设计了康复训练机器人控制系统的软件，主要包括：下位机控制系统软件、基于Labview上位机监控系统软件。下位机控制系统软件主要包括：信号采集模块、网络通信模块、运动控制模块等。
4、设计了虚拟现实辅助训练软件，采用OpenGL为本系统开发了一套虚拟现实辅助训练软件来辅助患者进行康复训练。
5、研究了上肢康复训练机器人柔顺控制策略，重点研究了机器人的阻抗控制策略，并通过Simulink仿真分析了各阻抗参数对机器人力控制性能的影响，为以后根据不同的康复训练环境如何选择合适的参数提供依据。仿真结果表明本系统设计的阻抗控制器能够使康复机器人达到很好柔顺控制效果。

关键词 康复训练机器人；虚拟现实；OpenGL；柔顺控制；阻抗控制











































Abstract
With the development of robot technology, the robot-assisted therapy applied to the rehabilitation of stroke patients has been gradually paid attention by domestic and foreign researchers.It has become an important research subject and hot spot in the field of rehabilitation engineering. Therefore,the study has important significance and application value.
In this paper,a set of upper-limb rehabilitation robot system is developed, and its compliance control strategy has been studied. The concrete researchs are as follows:
1. According to the development of upper-limb rehabilitation robot, the overall design of upper-limb rehabilitation robot system is proposed, including mechanical structure design,security design, robot control system design,the choice of sensor and motor.And four kinds of control mode is proposed, the control strategy of motion control is detemined.
2. The control system hardware circuit of the rehabilitation robot system is designed.
Including power supply circuit,sensor data acquisition circuit and motor drive circuit.
3. The control system software of the rehabilitation robot system is designed.Including
control system software of the lower computer and monitoring system software of the upper computer based on Labview.And control system software of the lower computer including signal acquisition module, network communication module and motion control module.
4. Virtual reality based training sofrware is designed.A virtual reality based training software using OpenGL is designed to assist patients with rehabilitation.
5. The compliant control strategy of the upper-limb rehabilitation robot is studied,
especially the robot impedance control strategy.The influence of impedance parameters on the force control performance is analysised by Simulink.It provides the basis for how to chose impedance parameters in different rehabilitation environment.The simulation results show that the impedance controller of the system can achieves good compliance control effect.

Keywords Rehabilitation Robot；Virtual Reality；OpenGL；Compliant Control；Impedance Control


















目录
摘要 I
Abstract III
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 课题研究意义 1
1.3 上肢康复训练机器人的研究现状 2
1.4 本文的研究内容和主要工作 6
第2章 上肢康复训练机器人系统的总体方案设计 8
2.1 引言 8
2.2 机器人系统总体结构设计 8
2.3 系统机械结构设计 9
2.3.1 康复训练机械臂 10
2.3.2 位置传感器的选择 11
2.3.3 力传感器的选择 12
2.3.4 电动机的选择 12
2.3.5 安全性设计 12
2.4 上肢康复训练机器人控制系统方案设计 13
2.5 上肢康复训练机器人控制模式及控制策略 14
2.6 本章小结 15
第3章 上肢康复训练机器人控制系统硬件设计 16
3.1 引言 16
3.2 ARM最小系统 17
3.3 电源电路的设计 17
3.4 力传感器采集与调理放大电路的设计 18
3.5 位置传感器采集与处理电路的设计 19
3.5.1 位置传感器的标定 20
3.6 电机驱动电路的设计 21
3.6.1 驱动方式选择 21
3.6.2 电机PWM驱动原理 21
3.6.3 电机驱动电路的设计 23
3.7 本章小结 24
第4章 上肢康复训练机器人控制系统软件设计 25
4.1 引言 25
4.2 下位机控制系统软件设计 25
4.2.1 软件架构 25
4.2.2 主控模块 26
4.2.3 数据采集模块 26
4.2.4 网络通讯模块 27
4.2.5 运动控制模块 33
4.3上位机基于Labview的监控系统软件设计 34
4.3.1 虚拟仪器及Labview简介 34
4.3.2 上位机Labview监控界面设计 34
4.4 本章小结 38
第5章 基于虚拟现实技术的辅助康复训练软件设计 39
5.1 引言 39
5.2 虚拟现实技术介绍 39
5.3 OpenGL简介 39
5.4 程序设计 40
5.4.1 O..