基于绳索驱动的腰部康复并联机器人的设计与研究-机械电子工程专业论文.docx

万方数据 万方数据 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Mechanical and Electrical Engineering Design and Research on Wire-driven Waist Rehabilitation Parallel Robot A Thesis in Mechanical Engineering by Sang Xiufeng Advised by Prof. Chen Bai Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering March, 2014 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 本学位论文的主要研究内容受以下项目资助 江苏省产学研联合创新资金—前瞻性联合研究项目 项目批准号：BY2012011 南京市科委产学研计划 项目批准号：201204014 国家 863 科技计划项目 项目批准号：2013AA041004 上海市科委科技计划项目 项目批准号：124119a3900 上海交大医工交叉项目 项目批准号：YG2011MS08 南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 绳驱动腰部康复并联机器人能够克服传统腰部康复训练的不足，提高康复训练效率，改进 康复治疗效果，提高系统的柔顺性和安全性。它的设计与研究对腰部疾病的治疗具有重要意义。 本文依据人体腰部运动规律进行机器人的结构设计，并对其进行理论建模及仿真研究。论文的 主要研究内容如下： 根据人体腰部运动规律，提出绳驱动腰部康复机器人的新构型，进行机器人的结构优化设 计。该机器人克服已有构型的缺点，适用于不同体型的患者进行康复训练，能够满足康复训练 机器人柔顺性和安全性要求。 建立绳驱动腰部康复机器人的运动学模型，通过仿真计算验证了该模型的正确性。进行轨 迹规划，并通过 MATLAB 仿真各根驱动绳长度的变化规律。仿真结果表明，驱动绳长度变化 曲线是连续的，能够保证患者康复训练时的平稳性和连续性。 对绳驱动腰部康复机器人进行静力学分析，建立力螺旋平衡方程。建立机器人的动力学模 型，研究驱动绳拉力分布问题，得到求绳拉力优化解的一般方法。通过理论分析和仿真计算得 到该机器人的工作空间。通过仿真验证静力学、动力学模型以及工作空间分析的正确性。 进行绳驱动腰部康复机器人控制系统的设计。研究绳驱动并联机器人的控制原理，进行控 制系统的安全性设计，提出 PC+DSP 运动控制卡的控制模式，完成硬件结构设计和软件编程。 本文设计的控制系统在绳索驱动并联机构中适用性广泛。 关键词：绳索驱动，腰部康复机器人，运动学，动力学，绳索拉力，控制 I 基于绳索驱动的腰部康复并联机器人的设计与研究 ABSTRACT Wire-driven waist rehabilitation parallel robot can overcome the shortcomings of traditional waist rehabilitation training, improve the efficiency of rehabilitation, improve the effectiveness of rehabilitation treatment, and improve flexibility and security of the system. Its design and research have important implication for rehabilitation of the waist disease. In this paper, according to the motion law of body waist, the structural design of the robot was done, and theoretical modeling and simulation research of the robot were completed.