论文总字数：18069字

摘 要

随着医疗技术的不断进步，机器人在医疗方面的应用愈加广泛。医疗机器人的应用主要分为三个方面，分别为手术机器人、服务机器人和康复机器人。医疗机器人以其可编程、拟人化、机动、灵巧等特点著称，尤其是关于康复机器人的应用，在近年来得到了迅猛的发展。在发展的过程中，传统的串联机器人存在的诸多弊端逐渐显露,具有一定的局限性,所以近年来,关于柔性机器人的发展，成为了研究的热点。而柔性机械臂又是柔性机器人的关键组成部分，在其运行的过程中，能否使机械臂沿着预设的轨迹运动是科学家们关注的重点，并且要尽量减小机械臂末端的振动。因此，深入的研究柔细机械臂的位置跟踪控制具有十分重要的工程应用价值和现实意义。

柔性机械臂的相关原件是作为本论文的研究之一，经过对大量文献的阅读与理解，决定研究柔性机械臂的位置跟踪控制方面，下面是本文主研究的内容：

（1）探究柔性关节机械臂目前存在的突出问题，从而设计合理可行的柔性关节机械臂控制策略。

（2）根据拉格朗日方法，对拉格朗日函数进行相关证明，动力学建模对于柔性机械臂来说也是一个必不可少的过程，并且推导出合理地并且易于实现的柔性机械臂的模型。

（3）在第上一节中建立的合适并且易于实现的动力学模型的基础上，对柔性机械臂的位置跟踪控制进行相关的改进设计，使跟踪效果达到最优。

（4）设计一种踝关节康复装置的控制系统，对康复训练的过程进行实验与分析。

关键词：康复机器人 柔性机械臂 控制策略 动力学建模 改进设计 踝关节康复装置

Position tracking control of flexible manipulator

Abstract

With the development of medical technology, robots are widely used in medical field. The application of medical robot is mainly divided into three aspects: surgery robot, service robot and rehabilitation robot. Medical robot is famous for its programmable, anthropomorphic, mobile, dexterous and other characteristics, especially the application of rehabilitation robot, in recent years has been rapid development.In the process of development, many disadvantages of the traditional tandem robot are gradually exposed and have certain limitations. Therefore, in recent years, the development of flexible robot has become a research hotspot. The flexible manipulator is a key part of the flexible robot. During its operation, whether the manipulator can move along the preset trajectory is the focus of scientists, and the vibration at the end of the manipulator should be minimized. Therefore, the in-depth study of the position tracking control of the flexible manipulator has very important engineering application value and practical significance.

The relevant original of the flexible manipulator is one of the research objects of this paper. After reading and understanding a lot of literature, it is decided to study the position tracking control of the flexible manipulator. The following is the main research content of this paper:

Firstly, the prominent problems existing in the flexible joint manipulator are analyzed, so as to design a reasonable and feasible control strategy for the flexible joint manipulator.

Secondly, According to the Lagrangian method, the Lagrangian function is proved, the dynamic modeling is also an indispensable process for the flexible manipulator, and the reasonable and easily realized model of the flexible manipulator is deduced.

Thirdly, on the basis of the appropriate and easily realized dynamic model in the second point, the position tracking control of the flexible manipulator is improved to achieve the optimal tracking effect.

Finally,A control system of ankle rehabilitation device was designed and the process of rehabilitation training was tested and analyzed.

Keywords: Rehabilitation robot Flexible arm;The control strategy; Dynamic modeling;improves design;Ankle rehabilitation device

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外相关研究现状及分析 1

1.3 本课题的研究内容 4

第二章 建模理论与动力学分析 5

2.1 建模理论 5

2.2 运动原理分析 5

2.3 弹性变形分析 6

2.4 动力学模型 8

2.5 本章总结 11

第三章 柔性机械臂的控制与仿真 12

3.1 控制方法 12

3.2 柔性机械单臂仿真控制 13

3.3 柔性机械臂的模型改进与仿真 17

3.4 本章总结 20

第四章 柔性关节机械臂平台的实验研究 22

4.1 硬件结构 22

4.2 控制方法与实验研究 25

4.2.1 控制轨迹跟踪实验 25

4.2.2 力矩阶跃响应实验 27

4.2.3 等速度肌力实验 28

4.3 本章小结 30

第五章 结论与展望 31

5.1 得到的结论 31

5.2 研究展望 31

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

众所周知，我国老年人的比例越来越多，老龄化会导致很多问题，功能退化是老年人面临的最直接、最严重的问题。更具体地说，步态障碍和下肢残疾是老年人中非常常见的身体问题，可能会剥夺他们的生命，交通事故和运动损伤也会剥夺人们的幸福生活。因此，医疗机器人技术的应用对他们这类人来说是十分重要的，必须能够满足他们的须要和解决他们的问题。在此社会和行业背景下，我们需要研究一种用于康复医疗的踝关节康复装置控制系统。在这个系统中传统的刚性机械臂无法满足，我们需要具有柔性结构的机械臂来更好的实现预设轨迹的追踪。因为在系统的运动过程中，柔性机械臂的关节处的柔性效应产生了增加，从而使机械臂的结构发生了弹性变形^[1]，致使系统在执行任务过程中关于位置跟踪控制的效果变差。因此，我们要考虑柔性机械臂的弹性形变，也就是说要考虑机械臂的柔性特性和系统的动态特性，只有这样才能实现对柔性机械臂精度更高、适应性更强的控制。关于柔性机械臂的动力学研究不能只考虑一个方面，通常在不同的工况下要建立不同的动力学模型。在我们研究柔性机械臂的动力学模型时，一定要考虑耦合的强弱、是否是非线性、是否具有真实可变性。所以我们在研究柔性机械臂的动力学过程中，要注重前期的架构，要先打好基础，即先建立好准确且合适的模型。柔性机械臂不仅是一个刚柔耦合的非线性系统，还具有机电耦合性^[2]，因此在研究柔性机械臂的过程中，要综合考虑各方面因素，不能忽视任何一个问题。

综上所述，柔性机械臂正是合适的考虑对象，深入系统地研究柔性机械臂的动力学特性，柔性机械臂在运行中沿着预设的轨迹进行跟踪并且能够抗干扰的过程具有十分重要的理论和工程应用价值。因此研究柔性机械臂的跟踪控制具有极其重要的现实意义。

请支付后下载全文，论文总字数：18069字