论文总字数：35640字

摘 要

心脑血管疾病作为现在社会越来越常见与年轻化的基础性疾病，其患后的康复训练医疗过程也变得越来越重要。目前市面上和医院里常用的康复机器人设备普遍笨重、分工不明确，很难成为患者的家用的便携式的康复设备。本文提出设计了一种基于气动弹簧的便携式的上肢康复机器人，并对其控制系统进行了着重研究与设计。

本文通过研究人体的上肢运动情况和机器人设计原理，制定了机器人总体方案设计，之后通过对比选型完成了机械结构部分的设计。然后研究气动肌肉的建模原理、特性等方面，建立了一个简易的人工助力模型，并对其动力学原理进行了分析，依照更高精度的数学要求建立了气动弹簧的简易模型。根据关节的运动模式，以气动弹簧为基础构建了气动回路，然后对其连接件、气动元件等进行了选型设计。最后，通过对控制系统的硬件进行选型，并完成了应用模块的电路设计，通过关节的PID位置控制创建了误差更小、更易控制的PSMC控制。通过软件的整体设计搭建了四个主要模块，之后依次对其进行了UI界面、运动流程与使用设计和分析，从而使得患者更易操作、更安全。

通过研究常见的偏瘫或神经疾病患者的病情与运动情况，本着经济环保、节能便捷的原则，本文建立了基于气动弹簧的上肢外骨骼康复机器人的机械结构、控制系统结构，同时完成了控制系统的软件设计，最终达到设计要求。

关键词：气动弹簧 上肢康复机器人 控制系统 关节 软件

Abstract

Cardiovascular and cerebrovascular diseases are becoming more and more common today, and they are turning into more and more important in the process of rehabilitation training and medical treatment.At present, the commonly used rehabilitation robot equipment in the market and hospitals is generally bulky and unclear in division of labor, which makes it difficult to become a portable device for patients at home. During this article, a portable rehabilitation robot based on pneumatic spring is designed, and its control system is researched and designed.

In this article, by studying the movement of the upper limbs of body and the design principle of the robot, the overall design of the robot and the mechanical structure of the design was formulated and completed. Then, a manual assisted model was established by studying the modeling principle and characteristics of pneumatic muscles. We analyzed the dynamic rules, the basic model of pneumatic spring was established according to the mathematical requirements of higher accuracy. According to the motion mode of the joints, the pneumatic circuit is built on the basis of the pneumatic spring, and then the type selection of its connecting parts and pneumatic components is carried out. Finally, by selecting the hardware of system and completing the design of the application module, PSMC control with smaller error and easier control is created through the PID position control of the joints. Four main modules were built through the overall design of the software, and then the UI interface, movement type and use were designed and analyzed successively, so as to make it easier and safer for patients to operate.

By studying the condition and movement of patients with the common hemiplegia or neurological diseases, in line with the principles of economic environmental protection, energy saving and convenience, the article established the mechanical and control system structure of the upper extremity exoskeleton rehabilitation robot based on pneumatic spring, and completed the software design of the control system, finally reaching the design requirements.

Keywords: pneumatic spring, upper limb rehabilitation robot, control system, joint, software

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状及分析 2

1.2.1国内发展概况 2

1.2.2国外发展概况 5

1.2.3存在的问题 8

1.3主要研究内容 9

第2章 机器人机械结构设计 11

2.1机器人的设计要求及原理 11

2.1.1人体上肢运动分析 11

2.1.2机器人设计原理 13

2.2机器人总体方案的设计 14

2.3 康复机器人上肢机械结构设计 15

2.3.1 机械结构部分的材料选型 15

2.3.2机械结构部分的设计 16

2.4 本章小结 19

第3章 驱动模块的设计 20

3.1 气动肌肉概述 20

3.2气动弹簧结构设计 21

3.2.1气动肌肉建模原理 21

3.2.2简易助力人工模型 22

3.2.3气动弹簧的连接件的选型 23

3.2.4气动弹簧的简易模型构建 23

3.3气动回路的设计 25

3.3.1气动回路的工作原理及设计 25

3.3.2气动元件的选型 26

3.4本章小结 26

第4章 机器人控制系统的硬件设计 27

4.1 控制系统硬件选型 27

4.1.1底层运动控制器的选型 27

4.1.2传感器模块的选型 29

4.1.3生理指标监测模块的选型 30

4.2 应用模块设计 30

4.2.1系统晶振电路 30

4.2.2 LED显示模块 30

4.2.3用户按键操作模块 31

4.2.4复位模块 31

4.2.5存储与USB模块 32

4.2.6控制系统整体电路图 33

4.3气动弹簧驱动关节位置控制 35

4.3.1关节的PID位置控制 35

4.3.2关节的PSMC控制 36

4.4本章小结 38

第5章 机器人控制系统的软件设计 39

5.1软件总体设计 39

5.2控制模块软件具体设计 40

5.2.1用户交互视图层 40

5.2.2运动控制层 41

5.2.3数据存储与访问层 43

5.2.4信息评估层 44

5.3本章小结 45

经济性分析 46

结论 48

参考文献 50

致谢 53

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

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