LLR康复机器人控制设计.docx

摘要: 随着科学技术不断进步，人工智能越来越频繁地被引入到日常生活中来，其疾速进步即为了更多地优化人类文明生活，所以怎样把医疗智能与机械智能相融合，不仅是人工智能方向上将会面临的机遇，更是智能康复装置的研发者们必须得面对的困难。因为可以模拟治疗师带来的部分治疗作用，辅助患者进行训练活动，下肢康复机器人应运而生，同时由于机器人在动作过程中较为精准，这一点能够一定程度上减少训练的耗时，改善短时间内患者的训练成果。康复装置控制系统以包括机器人学、生物力学、自动控制原理、计算机图形学、机械学、及康复医学等在内的许多前端学科为基础，本课题综合多个学科的理论及实践研究，通过分析患者的运动状态，设计了一个以训练患者腿足肌力为主的康复训练装置系统，同时按研究计划实现了几种康复训练模式在控制系统中的转换。

第一步从了解康复装置控制系统的构成部分及下肢康复装置的现状入手，确定了理想的控制系统结构，之后通过先分模块设计，再将各个模块整合为一的方式设计出了一整套控制系统，为实现设定的康复控制做好了充分的理论准备。

在具体剖析本课题的前提下，设计了本下肢康复装置的运作方式，结合各种方式的特性，通过计算确定由无刷直流电机带动整个系统的驱动控制，选定了具体方案。为保障患者安全，电机需满足超调量合格、精确、反应快的特点，故选择使用PID调节方式对电机实施速度调整。

基于对市场上现有的下肢康复治疗装置的调查及对本课题研究要素全方位的考虑，对软件程序进行了编译并选择好硬件控制系统的构成部分。为了能够迅速地传输数据并且快速地响应系统，将STCI2CSA60S2单片机做核心的芯片；在系统中电机的转速是最重要的调整参数，因而需要将光电编码器安装在电机输出轴上，以便于电机的转速能够便于监测，从而达到实时记录患肢运动速度的目的。

为了节约时间以及避免硬件损耗，在上述三点理论要素的基础上，先在仿真软件中对设计好的控制电路进行仿真，通过仿真确认系统的程序没有错误以后，按照既定方案连接硬件，把仿真软件中已经仿真完成的程序装入硬件系统，记录实际数据。验证表明，本康复训练控制系统可顺利完成预期的动作，且在训练过程中系统响应快速，且能够平稳地运行。

关键词: LLR，控制系统，康复训练，仿真

目  录

摘  要

ABSTRACT

第一章 绪论-1

1.1 课题研究背景-1

1.2 LLR康复装置控制系统的意义和价值-2

1.3 国内外研究现状-3

1.3.1 国外的研究现状-3

1.3.2 国外的研究现状-4

1.4 本文的主要内容-5

第二章 LLR康复系统总体方案设计-6

2.1 控制机构方案-6

2.2 控制系统的工作原理-7

2.2.1 控制系统的结构-7

2.2.2 控制方式的选择-7

2.3 控制方案设计-8

2.3.1 主控制模块-8

2.3.2 传感器数据采集模块-8

2.3.3 力传感器放大电路-9

2.3.4 力传感器滤波电路-11

2.3.5 光电编码器-14

2.4 直流电机驱动电路-15

第三章 LLR康复控制系统仿真-18

3.1 仿真软件简介-18

3.1.1 Proteus简介-18

3.1.2 Keil软件简介-18

3.2 被动康复训练模式-19

3.3 主动康复训练模式-20

3.3.1 速度采集显示系统仿真-20

3.3.2 A/D转换电路仿真-21

第四章 硬件系统的实现-23

4.1 硬件设备简介-23

4.1.1 控制器-23

4.1.2 瑞士Maxon motor空心杯转子直流电机-23

4.1.3 数据采集模块-23

4.2 硬件系统的实现-24

第五章 总结与展望-25

5.1 课题总结-25

5.2 展望-25

参考文献-27

致  谢-29