华中科技大学
硕士学位论文
气动肌肉驱动的康复机器人控制系统设计
姓名：王建
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：孙容磊
2011-01-18
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摘 要
气动肌肉是一种新型驱动元件，重量轻、初始力大，具有良好的柔顺性和安全性，驱动特性类似于生物肌肉，因此在康复医疗领域受到重视。针对气动肌肉在康复机器人上的应用，本文主要研究气动肌肉的静态模型以及由气动肌肉驱动的康复机器人关节静态模型，设计康复机器人关节位置控制的模糊控制器，搭建基于STM32的康复机器人嵌入式控制平台，实现康复机器人的控制。论文主要研究内容及取得的成果如下：首先，以FESTO公司的MAS-20型气动肌肉为研究对象，介绍气动肌肉驱动特性研究的实验平台与数据获取方法。根据所得到的数据建立了MAS-20型气动肌肉的实用静态模型，并分析了该型气动肌肉的刚度特性。在此基础上，得到康复机器人关节的静态模型，分析了康复机器人关节刚度特性。
其次，分析了气动肌肉驱动的康复机器人关节位置控制的特点，采用模糊控制方法实现了康复机器人关节的位置控制，给出了位置模糊控制器的设计方法，并借助Matlab 模糊控制工具箱，在Simulink环境下完成了关节位置模糊控制器的建模、仿真与系统测试，得到模糊控制表，设计出关节位置模糊控制器。
再次，对康复机器人的嵌入式控制系统进行需求分析，完成嵌入式控制系统的硬件总体设计以及各个模块的元器件选型与实现方案，完成了主要电路的详细设计、制版及电路调试。
最后，分析了康复机器人嵌入式控制软件需求，完成了系统控制软件框架设计，详细设计了安全监控程序、控制模块的AD/DA程序、模糊控制程序、通信模块的串口通信程序，完成了信息存储模块的文件系统FatFS的移植、网络通信的精简协议栈uIP的移植等。
关键词：气动肌肉康复机器人模糊控制 STM32
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Abstract
The pneumatic muscle actuator (PMA) is a kind of new drive component with characteristics of light weight, big initial force, good flexibility and security. It has properties similar to biological muscles and gets special attention in the field of rehabilitation medical. In this paper we mainly discuss the establishment of the static model of the pneumatic muscle actuator and the static model of the rehabilitation robot joint driven by PMA, design of a fuzzy controller for position control of rehabilitation robot joint, and design of an embedded control system based on the STM32. The major research of this paper includs: First, this paper describes experimental platform and data acquisition of the MAS-20, a pneumatic muscle actuator produced by FESTO. Based on the data we get static model of MAS-20 pneumatic muscle actuator and its static stiffness model. And further we get static model and static stiffness model of rehabilitation robot joint driven by the MAS-20.
Secondly, by analyzing of the characteristics of the rehabilitation robot joint, this paper proposes fuzzy control strategy for the joint position control. The design of the fuzzy controller is completed with the help of fuzzy control toolbox of Matlab.
Thirdly, functions needed by embedded controller for rehabilitation robot are studied. Based on the function analysis, hardware overall design of the embedded controller, as well as detailed design and implementation of the major functional modules, is completed. Specific circuit design schematic of each module is shown in this paper.
Finally, design of the embedded control system software is discussed. The software developed includs: system software such as system initialization, security and surveillance; control module such as AD programming, DA programming, fuzzy control programming; transplantation of the file system FatFS for information storage module; communication module such as serial communication programming and transplantation of network communication protocol stack uIP.
Keywords: Pneumatic muscle actuator，Rehabilitation robot， Fuzzy control，STM32
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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1 绪论
1.1 课题的来源、目的和意义
本课题得到以下项目的资助：
1) 国家科技支撑计划课题“肢体康复医疗机器人研发”(资助号2008BAI50B04)
2) 863计划课题“网络化多个老人/残障者远程肢体康复训练机器人”(资助号2008AA040202)
3) 国家自然科学基金项目“欧氏运动的视觉感知与移动机器人行为控制”(资助号50875100)
现代中枢神经康复机理研究和临床医学表明，脑卒中患者失去运动能力的肢体，在辅助训练运动中，能部分或者全部恢复运动能力。但这需要专业医师的指导与护理。由于目前我国的老龄化及心脑血管疾病患者的增多，肢体瘫痪患者相应增多，目前的专业医师人数远远不能满足病人需要。随着机器人技术、计算机技术、微电子技术、传感器技术等相关技术的发展，具有实用价值的机器人进入众多领域，甚至走进人们的生活，如清洁机器人，护理机器人等。把机器人引入康复医疗领域，发挥类似专业医师的作用，辅助患者实现康复医疗训练和评价，将极大地缓解当前专业医师人数严重不足的局面，具有重大社会意义。目前，康复机器人相关研究正成为众多学者的研究热点。
康复机器人与很多传统机器人有较大不同，因为其服务对象是病人，如脑卒中患者。病人通常是肢体运动能力有问题，同时也可能肢体的感觉不如正常人，这就要求康复机器人具有很好的安全性和柔顺性，在辅助病人训练时确保患者的人身安全。传统的电机、液压等机器人驱动方式应用在康复机器人方面显得不合适，寻找新的驱动方式是康复机器人研究的重要内容。气动肌肉除了成本低、重量轻、清洁环保外，最大的特点就是其柔顺性，并且与生物肌肉有很多类似之处。使用气动肌肉驱动康复机器人是一个很好的选择。国内外学者对气动肌肉已经展开了很多研究，但在气动肌肉模型和控制方面，仍不尽如人意。研究简单实用的气动肌肉模型及控制策略，应用于机器人关节系统，是气动肌肉应用于机器人的关键。本文将针对气动肌肉模型、关节模型、机器人关节位置控制策略、控制系统软硬件方面，展开研究设计工作，希望能较好地实现气动肌肉驱动的康复机器人关节位置控制。
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1.2 气动人工肌肉概述
气动肌肉驱动器(Pneumatic Muscle Actuator,PMA)，以下简称气动肌肉，是一种新型的拉伸型气动驱动器，通常由一段包裹纤维网的橡胶筒和两端的接头附件连接组成，能够像生物肌肉那样产生很大的收缩力，如图1.1所示的Festo公司的气动肌肉产品。由于柔顺性比较好、重量比较较轻、使用比较方便、输出力比较大等优点，它在工业、机器人、汽车等众多领域有非常广泛的应用前景，有人甚至将气动肌肉的出现称作气动技术的一场革命[1]。
图1.1 Festo公司的气动肌肉
1.2.1 气动肌肉的发展及应用
气动肌肉最早是由俄国发明家S.Garasive于20世纪30年代发明。到了20世纪50年代，美国医生Jospeh.L.Mckibben发明了一种以其名字命名的气动肌肉，即Mckibben 肌肉，并将其应用于辅助残疾人手指运动。由于该系统需要的相关气动控制装置体积比较大，应用没有一直推广，在20世纪60年代后逐渐被电动机取代。
在20世纪60-70年代，美国和日本的科学家对气动肌肉做过一些研究和应用的工作。其中，日本早稻田大学利用气动肌肉驱动仿人步行机器人，进行相关研究。在这期间也出现了其它结构的气动肌肉及相关应用[2-6]。由于当时的制造工艺与气动技术还不够先进，成本、体积、控制等方面不够理想，气动肌肉的研究和应用在此后没有很大进展。气动肌肉的实际应用研究，是从上世纪80年代开始的。日本的Bridgestone公司在早期的Mckibben型气动肌肉基础上，设计推出了Rubbertuator驱动器[7-10]，并将其做成了商品化的驱动元件。气动肌肉从此进入了现代工业应用领域，潜在应用价值开始被人
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们认识，相关研究工作蓬勃兴起。日本东京大学研究员Ryuma Niiyama制作的新型跑步机器人，由气动肌肉驱动，如图1.2所示。
图1.2 东京大学新型跑步机器人
从上世纪80年代到现在，气动肌肉用作机器人的驱动器，已经取得了相当的成效。美国华盛顿大学的Glenn K.Klute教授从事气动肌肉方面的研究多年。他研制了一种由Mckibben气动肌肉驱动的肢体康复机器人，能够模拟正常人的走路，辅助瘫痪患者的踝关节运动，使患者能够克服病情，完成基本的行走，满足了病人在基本行走、康复锻炼的需要。
日本Yokohama国立大学设计了一种采用FMA气动肌肉驱动的柔性机械手。FMA 气动肌肉和McKibben气动肌肉相比，材料与结构上都有较大的不同。它的材料是包含加强纤维的硅橡胶。结构上它有三个气腔，有三个控制阀分别控制其内部气压，来改变其形状。这样它可以实现三个自由度上的弯曲运动。因此这种气动肌肉不仅能收缩来产生驱动力，还能够弯曲，实现类似关节的运动。从而给机械手的结构设计带来方便。
随着现代气动技术在各个领域的广泛应用，气动肌肉作为一种新型气动执行元件也越来越受到业界的重视。2000年，FESTO公司推出了的MAS(Muscle Actuator Sinale)
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仿生气动肌腱系列，以及相应的应用解决方案，大大推广了气动肌肉的应用。气动肌肉的应用范围已经覆盖现代气动技术的许多应用领域。
1.2.2 气动肌肉的结构特点
气动肌肉的常见结构形式有三种[11]: 编织式气动肌肉、网孔式气动肌肉和嵌入式气动肌肉。
编织式气动肌肉：编织式气动肌肉主要由里层的橡胶管和其外层的纤维编织套组成。编织纤维沿与气动肌肉的轴线成一定的角度θ进行编织，这个锐角称为编织角。当气动肌肉充气时，橡胶管在内部气压的作用下膨胀，编织套直径和编织角增大，从而气动肌肉轴向缩短，拉动两端的负载，输出拉力。编织式肌肉是由橡胶管膨胀挤压编织套来工作的，所以这种肌肉只能在正压下，而不能在负压下工作，即只能膨胀输出拉力，不能在原长基础上伸长输出力。最典型的就是前面已经提到的McKibben气动肌肉，如图1.3所示。
图1.3 McKibben肌肉
网孔式气动肌肉：网孔式气动肌肉和编织式气动肌肉的主要不同点在于，编织套的疏密程度不同。网孔式气动肌肉网孔较大，编制纤维也就比较稀疏，并且编制套是系结而成的，通常这种肌肉通常只能在较小的气压下工作。常见网状肌肉有Yarlott 型肌肉和ROMAC肌肉，如图1.4所示。
图1.4 网孔式气动肌肉
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嵌入式气动肌肉：这种气动肌肉承受负载的纤维是嵌入到弹性薄膜里的，通常这类形式的气动肌肉以发明者的名字来命名。常见嵌入式气动肌肉有Morin 肌肉、Baldwin 肌肉、Paynter 双曲面气动肌肉，如图1.5所示。
图1.5 嵌入式气动肌肉
从以上介绍可以看出，气动肌肉结构比较简单，但由于其较好的工作特性，成本低廉，目前已有比较广泛的应用。它比较适合于夹紧工具、搬移物品、定位机构、特种机器人、建筑机械等诸多领域[1]。
1.2.3 气动肌肉的驱动特性
作为一种气动元件，气动肌肉除了具有一般气动装置的成本低廉、清洁环保、安装使用方便等特点外，还有其它的一些优点[12][13][14]：
1) 输出力相对较大，是相同直径的气缸输出力的10倍；
2) 柔顺性好。随着气动肌肉收缩率的增加，输出力减小，从而达到平衡状态；
3) 结构简单、重量较轻、输出力/自重比大；
4) 能够在环境恶劣的场合使用，如噪声、辐射、油污、水下等环境中；
5) 密封性好、无泄露、无爬行现象。
同时，气动肌肉也有一些自身的缺点：
1) 工作行程小。气动肌肉在空载时的最大收缩率一般不超过25%，在有负载时收缩率更小。与气缸相比，有效工作行程比较小；
2) 具有非线性、时滞等特征，位移和速度的准确控制十分困难。气动肌肉具有很
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好的柔顺性，由于其非线性及空气介质的可压缩性，精确模型很难建立，给控制带来较大困难。
气动肌肉虽然有些局限性，目前难以精确控制，但其独特的驱动特性以及日益广泛的应用使其成为研究的热点。尤其是其柔顺特性、驱动特点与生物肌肉相似，在康复医疗、机器人等方面前景广阔。
1.3 国内外研究概况
作为一种应用潜力很大的新型驱动元件，近年来气动肌肉引起国内外学者及工业界的研究热点。特别是Mckibben气动肌肉因为其结构简单，成本低廉，研究和应用最为广泛。以下也主要是阐述国内外关于Mckibben气动肌肉的研究情况。研究内容主要是气动肌肉的数学模型及其控制策略。
Mkcbiben气动肌肉在充气后收缩，收缩力跟内部气压和收缩率(纤维编织角)有关。如果没有负载，气动肌肉将收缩到在该内部气压作用下的最大收缩长度，输出力为零。气动肌肉的数学模型主要是输出力、气压与收缩率三者之间的关系。即便气动肌肉结构比较简单，但内部机理比较复杂，如非弹性变形及内部摩擦，这使得气动肌肉的数学模型难以准确建立。进一步研究气动肌肉结构及数学模型，对气动肌肉的应用及控制具有重要作用。
美国华盛顿大学的Ching-ping Chou，根据等效做功原理对McKibben气动肌肉建模，进行了许多实验，讨论了内部摩擦等方面对气动肌肉输出力的影响[15][16]。而Tondu等在Zhou的基础之上，利用虚功原理得到的模型物理意义明确，应用方便，目前广泛应用[17]。由于这两个模型都没有考虑气动肌肉端部效应、橡胶管的弹性力等影响因素，与实际效果差距较大。英国Salford大学Tsagarakis和Caldwell等，基于气动肌肉表面位移的理论，考虑了气动肌肉收缩时的端部非圆柱体、内部摩擦力、橡胶壁厚与橡胶弹力，得到了气动肌肉收缩与拉伸状态下的模型[18]。Reynolds等将气动肌肉等效简化为弹簧、阻尼器和收缩单元并联模型[19]，模型中各组成部分的系数与内部气压有关。
哈尔滨工业大学隋立明、王祖温、包钢等人对气动肌肉做了比较深入系统的理论研究[20-25]，涉及诸多方面，包括气动肌肉与生物肌肉的力学特性对比、气动肌肉的模型、结构参数对驱动性能的影响、气动肌肉的静态刚度和动态刚度分析、人工关节的模型及特性，并设计了多自由度的仿人臂等。华中科技大学李宝仁、杨钢、刘军等人在气动肌肉的模型及控制方面也做了很多相关研究[14] [30-34]。将气动肌肉看作变截面积气缸，以分析其静态特性，并做了相关实验。把气动肌肉的收缩过程分成等容充气、充气收缩、排
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气伸长和等容排气，对单根气动肌肉系统进行系统辨识及实验研究。采用了基于CMAC 神经网络及模糊规则的变结构鲁棒控制策略，实现单根人工肌肉轨迹跟踪与控制，并应用到三自由度平台上。
此外，还有北京理工大学[35-39]，南京理工大学[40-41]等国内高校在气动肌肉结构、模型、驱动特性及控制应用方面做了一些相关研究。
气动肌肉由于其柔顺性和非线性，模型难以准确建立，快速精确的位置控制不太容易。为此国内外学者的展开了广泛研究。
上海交通大学的林良民，田社平等人在气动肌肉驱动的单自由度关节的控制方面做了较多研究[26-29]，提出基于神经网络的非线性控制策略，实现单自由度关节快速准确的位置控制。哈尔滨工业大学王祖温等人提出在开环方式下，采用输入整形法对关节进行位置控制，以消除关节在阶跃输入信号下的振荡[42]。颜国正等人用一个三阶线性模型近似描述关节系统，使用最小预测误差控制策略，自适应地跟踪目标曲线[27]。有学者采用变结构控制与滑模变结构控制方法[34] [43]，使关节系统进入滑动区后不再受数学模型和负载变化等影响，具备较强的鲁棒性和抗干扰性，但关节系统一定要满足变结构控制的匹配条件，否则系统可能失去鲁棒性。这些策略的使用都需要建立机器人关节的数学模型，当模型参数或外加负载变化时，这些控制策略的效果将受到很大影响。为了减小模型对控制效果的影响，研究者考虑各种智能控制方法在气动肌肉驱动的关节位置控制中的应用。采用模糊PID控制和分段模糊控制对阶跃信号的响应效果不错[45]，但都不具有动态适应性。采用多层自组织神经网络对关节位置进行控制[46]，有一定的控制效果，却不能消除关节振荡。有学者在此基础上改进了训练方法，缩短了训练时间，提高了关节的动态品质，但关节的运动速度较慢[46]。于是有人提出采用CMAC神经网络对关节位置进行控制[48-49]，由于CMAC学习速度较快、泛化能力较强等优点，可以改善系统的动态品质。
1.4 本文的主要工作
本文的主要工作体现在以下几个方面：
1) 气动肌肉与康复机器人关节的建模与分析：以FESTO公司的MAS-20型气动肌肉为研究对象，通过实验数据的分析与运用，建立MAS-20型气动肌实用的静态模型，并分析了该型气动肌肉的刚度特性。在此基础上，得到以此型号气动肌肉为驱动器对拉作用的康复机器人关节的静态模型，分析了康复机器人关节刚度特性。
2) 关节位置模糊控制器的设计：分析康复机器人关节驱动特性，提出采用模糊控
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制的位置控制策略。针对具体的单关节，给出了位置模糊控制器的设计过程。并借助Matlab的模糊控制工具箱，在Simulink下进行关节位置模糊控制器的建模、仿真与系统测试，得到模糊控制表，完成了关节位置模糊控制器的设计。
3) 嵌入式控制系统硬件设计：对康复机器人的嵌入式控制系统进行需求分析，完成嵌入式控制系统的硬件总体设计、处理器选型、最小系统、运动控制模块的AD转换与DA转换硬件电路、人机界面的键盘和LCM电路、信息存储模块、通信模块的串口通信和网络通信等硬件电路设计。
4) 嵌入式控制系统软件设计：系统软件如系统初始化、调度方法、安全监控等；运动控制模块的AD转换程序、DA转换程序、模糊控制程序；信息存储模块的文件系统FatFS的移植；通信模块如串口通信程序、网络通信的精简协议栈uIP的移植等。
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2 气动肌肉静态特性与关节模型
2.1 气动肌肉静态特性研究
通常，实际物理对象的数学建模有两种方法：一种是基于基本的物理定律推导出模型，称之为解析法；另一种是通过实验测出相关数据，经数据处理后拟合出模型，称之为实验法。建立气动肌肉的数学模型，同样可以应用这两种方法。本章采用实验法，针对Festo 公司的MAS-20-N300-AA-MCHK 气动肌肉，建立其静态模型。
2.1.1 气动肌肉理想模型介绍
气动肌肉产生的输出力跟气压P 和编织角θ或者收缩率ε有关，其静态模型也就是这三者的关系。由前面的介绍可以看出，国内外学者关于气动肌肉建模，做了很多研究。但多基于Chou 和Tondu 两个人的模型改进而来。
Chou 以气压P 和编织角θ为参数，根据等效做功原理得到的气动肌肉静态模型[15]如下：
220(3cos 1)4D P
F πθ=? (2.1)
式中：F — 气动肌肉产生的拉力
0D —气动肌肉初始直径
P — 气动肌肉内部气压
θ — 气动肌肉编织角
Tondu 以气压P 和收缩率ε为参数，利用虚功原理得到的气动肌肉静态模型[17]如下：
220022000[(1)]
31,,tan sin F r P a b L L a b L πεεαα=???=
== (2.2) 式中：F — 气动肌肉产生的拉力
0r — 气动肌肉初始半径
P — 气动肌肉的内部气压
ε — 气动肌肉收缩率
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L—气动肌肉初始长度
L —气动肌肉当前长度。
α—气动肌肉纤维初始编织角
这两个模型虽然使用的参数、推导的方法不一样，结论却是一致的，可以通过参数转化由一种形式变为另一种形式。这两个理想模型忽略了以下方面：
1) 气动肌肉端部非圆柱体变形
2) 气动肌肉的壁厚
3) 气动肌肉材料变形的弹力
4) 气动肌肉内部摩擦力
正因为这两个理想模型忽略了许多方面的因素，数学模型虽然形式比较简单，却与实际的气动肌肉静态特性有很大出入。虽然有不少学者提出了改进措施，但使得气动肌肉模型的表达式复杂。并且实际的McKibben气动肌肉因结构和材料等不同，很难用统一简洁的模型描述。因此，针对已经商业化的Festo公司MAS-20-N300-AA-MCHK气动肌肉，采用实验法建立其静态模型。
2.1.2 气动肌肉静态模型的建立
前面介绍的模型(2.1)和(2.2)，推导过程中有多个假设条件，作了过多的简化。实际的气动肌肉，由于具体材料和结构、橡胶弹力、纤维与橡胶之间的摩擦力等，使得这两个模型在实际应用时不是很理想。因此很有必要建立准确实用的气动肌肉模型，分析其驱动特性，满足研究和工程应用的需要。
1)实验数据的获取
这里研究的气动肌肉为Festo公司MAS-20-N300-AA-MCHK，其主要技术参数如下：规格：内径20mm
工作介质：过滤的空气
结构特点：高强度纤维收缩隔膜
工作方式：单作用拉
最大输出力: 1600N
最大收缩率：额定长度的20%
最大使用伸长：额定长度
收缩时最大直径：40mm
工作压力：0-6bar
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重复精度：<=额定长度的1%
采用实验法建立气动肌肉的静态模型，首要工作是获取准确的实验数据。这里使用两种方式获取气动肌肉的实验数据。一种实验方法是根据需要搭建实验平台，如图 2.1所示。实验平台是由计算机、数据采集卡、贮气罐、气压传感器、拉力传感器，气动人工肌肉、载荷以及实验架等部分组成。
图 2.1 气动肌肉静态实验平台
另一种数据获取的方法是采用Festo公司提供的仿真软件MuscleSim的2.0.1.5版本，其界面如图2.2所示。该软件中，设置气动肌肉的型号、收缩长度、内部气压，即可读出在该气动肌肉状态下的输出力和收缩率。
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图 2.2 MuscleSim 仿真软件界面
在试验过程中，对两种方式获取的数据进行了比较，发现数据基本吻合，与Festo 公司关于MAS-20-N300-AA-MCHK 的技术数据基本一致。可以看出MuscleSim 仿真软件的数据是可靠的。自己搭建的实验平台，各环节的误差不太容易评定，要多次加载载荷进行试验，实验数据的获取相对费力。MuscleSim 仿真软件使用比较方便，可以迅速获取较多实验数据。实验中我们主要利用仿真软件获取实验数据。
2) 气动肌肉静态模型的建立
气动肌肉输出力F(N)与收缩率ε以及内部气压P (bar)有关。其静态模型也就是这三者的数学关系。针对具体型号的气动肌肉MAS-20，实验数据拟合得出气动肌肉静态模型如式(2.3)。公式拟合优度的确定系数(coefficient of determination)r 2为99.8％，拟合系数的标准差为15.48，表明公式拟合较好。
2251.93112.126110614.40.5786.5F P P P εεε=??++?? (2.3) 其中收缩率00
L L L ε?=，0L 为气动肌肉自然长度，L 为当前长度。由此数学模型得到的气动肌肉静态模型曲线如下：
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图2.3 气动肌肉MAS-20模型曲线
Festo公司提供的MAS-20气动肌肉输出特性如图2.4所示。
图2.4 气动肌肉MAS-20输出特性
由图2.3和图2.4比较得，在ε为0-20%(收缩工作状态)的区间内，模型曲线与公司给的特性曲线比较吻合，说明所建立的气动肌肉静态模型比较准确。
2.1.3 气动肌肉静态刚度特性分析
气动肌肉的柔顺性是其驱动特性之一，很多应用看重的也是气动肌肉的柔顺性。刚度是气动肌肉柔顺性的定量描述。基于各自的气动肌肉数学模型，很多学者对气动肌肉对气动肌肉静态刚度做过研究。针对Festo公司的MAS-20气动肌肉，分析其刚度特性对其应用同样具有重要意义。
在内部气压不变的情况下，气动肌肉的静态刚度可表示为：
S dF
K
dL
= (2.4) 将式(2.3)代入式(2.4)得，气动肌肉静态刚度表达式为：
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21228.8786.518116.7S K L P L L L =+? (2.5) 由上式可以看出，气动肌肉静态刚度S K 随其长度L 和内部气压P 增大而增大。
上式(2.5)中包含气动肌肉0L ，由于气动肌肉的输出力与一个相对量即收缩率ε有关，定性分析一下，类似于弹簧串联，气动肌肉静态刚度随其自然长度0L 的增大而减小。
在气动肌肉静自然长度0L 确定的情况下，气动肌肉静态刚度可以通过长度L 和内部气压P 来分别或者共同调节。由于是一次的数学关系，调节起来比较方便。内部气压P 一定时，长度L 最大即在自然长度时，气动肌肉的刚度最大；气动肌肉收缩后，长度L 变小，刚度随之变小，这正是气动肌肉的柔顺性。
2.2 气动肌肉驱动的康复机器人关节特性研究
气动肌肉与生物肌肉相似，在工作时只能收缩产生作用力。生物关节由肌肉群来驱动的。为了实现关节往复转动，气动肌肉应用于机器人关节，关节的转动一般需要两根气动肌肉对拉作用来实现。本项目所设计的康复机器人单关节系统有气动肌肉、关节、康复臂、角度传感器、拉力传感器、张紧装置、钢丝绳及钢丝绳套等组成部分。康复机器人单关节结构如图2.5所示。
1-钢丝绳 2-张紧装置 3-钢丝绳套 4-角度传感器
5-关节 6-康复臂 7、8-气动肌肉 9-拉力传感器
图2.5 康复机器人关节结构图
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康复机器人关节系统的气动肌肉一端的接头通过拉力传感器与机座相连，另一端的接头接连钢丝绳。钢丝绳的另一端绕在关节转盘上。气动肌肉充气收缩时，通过钢丝绳拉动关节实现转动。关节上还有角度传感器来检测关节角位移情况。关节系统的张紧装置防止气动肌肉未充气时钢丝绳从关节转盘的槽中脱落。两根气动肌肉一伸一缩实现康复机器人关节的转动。
2.2.1 康复机器人关节静态模型的建立
康复机器人关节系统的工作原理是：分别向两根气动肌肉给定气压1P 和2P ，
共同作用产生一个作用力，使关节按照一定的速度输出一定的角度θ。忽略传动系统的摩擦阻力等影响因素，康复机器人单关节的力矩平衡方程为：
1122(,)(,)()F P R F P R M εεθ×?×= (2.6)
其中R 为关节半径；11(,)F P ε为第一根气动肌肉输出力；22(,)F P ε为第二根气动肌肉输出力；()M θ为关节负载力矩。
由上一节中所建立的气动肌肉静态模型可以知道，气动肌肉的输出力与其收缩率和内部气压有关，而且包含二次项和交叉项。康复机器人关节系统中两根气动肌肉对拉作用，进一步加强了耦合。这使得对关节位置的控制，求解两个输入气压比较麻烦，而且存在多组解。因此，需要采取一定的策略，来简化这个双输入单输出的非线性耦合系统。 在一对相同型号气动肌肉驱动的关节中，设定在关节的初始位置处，两根气动肌肉内部气压和收缩率相同。关节中两根气动肌肉的初始收缩率与初始气压记为0ε、0P ，将系统的输入量定义为气压的改变量'P ，并采取气压差动输入，即：
1020'
'P P P P P P =+=? (2.7)
定性地分析，关节中一根气动肌肉内部气压增加而收缩，另一根气动肌肉内部气压减小伸长，共同作用将使关节产生一个转矩并转动。由于两根气动肌肉收缩率的耦合关系，记收缩率的改变量为'ε，气动肌肉各自收缩率的关系为：
1020''
εεεεεε=+=? (2.8) 将式(2.7)、(2.8)代入式(2.3)、(2.6)得到康复机器人单关节静态模型为：
0000[(15732522)'(42457.615736224.2)']()P P P R M εεεθ??++??= (2.9) 取收缩率与内部气压的中间值，即000.1,3P bar ε==，则关节静态模型简化为：
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(358.7'6697.4')()P R M εθ?= (2.10)
这两个模型比较简单，关节的输出转矩与两根气动肌肉的气压改变量、收缩率改变量以及关节半径有关。实际上也就是关节的输出转矩与两根气动肌肉的气压、收缩率以及关节半径有关。对康复机器人关节的控制，通常比较关心的是角位移、角速度和关节转矩。这个静态模型里包含着收缩率的改变量'ε，并没有体现转动角度θ，使用起来不方便。
根据上面介绍的康复机器人关节结构，传动部分的钢丝绳绕在关节转盘上，在关节转盘上做纯滚动运动。传动部分的钢丝绳视为不可伸缩，因此关节转盘转过的弧长s 与气动肌肉收缩长度改变量L Δ相等。即：s L =Δ。又s R θ=，0'L L εΔ=，则有0'R L θε=。于是：
'R L θε= (2.11)
将式(2.11)代入式(2.9)，得到康复机器人单关节静态模型为：
00000
[(15732522)'(42457.615736224.2)]()R P P P R M L εεθθ??++??= (2.12) 在000.1,3P bar ε==的初始条件下，得到康复机器人单关节静态模型为：
(358.7'6697.4)()R P R M L θθ?= (2.13) 这个模型给出了康复机器人关节的关节位置θ、在关节位置θ处的负载力矩()M θ与输入的气压差动量'P 的关系。如果计算出了关节位置θ处的负载力矩()M θ，将很容易计算出所需要给定的输入量'P 。由此可以看出这个康复机器人单关节静态模型简单实用。分析模型可以得知，关节输出力矩的大小与关节半径R 有关；关节转动角度的范围跟气动肌肉自然长度0L 和关节半径R 有关。这为康复机器人关节的结构设计提供了依据。
2.2.2 康复机器人关节的静态刚度分析
康复机器人的作用对象是脑卒中患者。这些患者的肢体运动和感觉功能或多或少有问题。因此康复机器人帮助患者进行康复医疗运动时，安全性和舒适性非常重要。医学研究表明，人的肢体有自己合适的刚度。康复机器人如果要很好地服务于患者，也需要机器人的关节刚度与患者肢体的刚度比较接近，确保康复训练的安全舒适性。两根气动肌肉对拉的康复机器人关节刚度分析是这一目标的理论基础。以下在前面建立的气动肌
天津大学 毕业设计 中文题目：物料搬运机器人手部系统的设计 英文题目：Material handling system design robot Hand department 学生姓名 系别机电 专业班级 2 指导教 成绩评定 2010年6月
目录 1 引言 (1) 1.1 机器人概述 (1) 1.2 机器人的研究历史及现状 (1) 1.3 机器人的发展趋势 (2) 2 手部的设计与计算 (3) 2.1 手部的设计 (3) 2.2 驱动方式 (3) 2.3 手部夹紧力的计算 (5) 2.4 弹簧的计算[6] (5) 2.5 手部电机选择原则【7】........................... 错误！未定义书签。 2.5.1 一般执行电机的选择原则...................... 错误！未定义书签。 2.5.2 电机的选用.................................. 错误！未定义书签。 2.6 手部电机参数计算.............................. 错误！未定义书签。 2.7 电机转速与夹紧力速度几何关系的确定............ 错误！未定义书签。 3 手臂的设计与计算............................... 错误！未定义书签。 3.1 手臂结构设计.................................. 错误！未定义书签。 3.2 手部质量计算.................................. 错误！未定义书签。 3.2.1 爪子的质量计算.............................. 错误！未定义书签。 3.2.2 手部外壳质量计算............................ 错误！未定义书签。 3.2.3 手部主轴的质量计算.......................... 错误！未定义书签。 3.2.4 其它部件的质量估算.......................... 错误！未定义书签。 3.3 手臂计算及电机选择............................ 错误！未定义书签。 4 结论.......................................... 错误！未定义书签。【参考文献】................................... 错误！未定义书签。致谢............................................ 错误！未定义书签。附录1：英文文献 .................................. 错误！未定义书签。附录2：英文文献翻译 .............................. 错误！未定义书签。
喷涂机器人控制系统初步方案 一、控制系统组成框图 本控制系统采用了以PC104为核心，以步进电机驱动网为低层控制通道的开放式控制器。下图是整个控制系统的组成框图。
二、PC104模块选型 采用PC104是因为它有如下特点：结构小巧紧凑, 仅96 mm ×90 mm面积内集成了PC 机所有功能；采用自栈接的母线结构，级联牢固，易于扩充；整机功耗低；兼容性好，可以借鉴PC机成熟技术；外设丰富，应用简单。 本控制系统PC104模块选用研华PCM-3343F。其组成如下：核心模块DM&P V ortex86DX 的高性能低功耗CPU 模块，CPU 速度1.0 GHz，带有浮点运算单元，在板集成了256MB DDR2 SDRAM（最大可支持512MB）、显示控制器（支持LCD显示，最高分辨率为1024×768），以太网控制器等。带有PA TA硬盘接口1个，PC104扩展插槽1个，KB/MS插槽1个，USB2.0接口4个，16位GPIO口，RS-232接口3个，RS-232/422/485接口1个。 选择该嵌入式主板时，应注意： 1）购买时，要求将系统内存升级到512MB； 2）购买时，要求配齐以下配件： ①键盘及鼠标的接口线共2根（编号及图片如下）； p/n: 1703060053p/n: 1700060202 ②VGA接口线1根（编号及图片如下）； p/n: 1700000898
③US B×2接口线1根（编号及图片如下）； p/n: 1703100260 ④RS-232×2接口线1根（编号及图片如下）； p/n: 1701200220 ⑤RS-422/485接口线1根（编号及图片如下）；p/n: 1703040157 ⑥IDE接口线1根（编号及图片如下）； p/n: 1701440350 ⑦外接Li电池1个（编号及图片如下）； p/n: 1750129010
本科毕业设计开题报告 题目：自动搬运机器人设计 院（系）：电气与信息工程学院 专业：电子信息工程 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 开题报告日期：2012年12月25日
填写说明 一、开题报告应包括下列主要内容： 1．研究目的和意义； 2．国内外发展情况(文献综述)； 3．研究/设计的目标； 4．研究/设计主要内容； 5．时间进程； 6．参考文献。 二、开题报告字数应不少于2.5千字。 三、开题报告时间应最迟应于开题答辩后一周上交。 四、若本次开题报告未通过，需在1个月内再次进行开题报告。 五、开题报告结束后，评议小组给出开题报告成绩，由教研室归档。 六、双面打印。 七、此表不够填写时，可另附页。
黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告 题目自动搬运机器人设计 1、研究目的和意义 本课题最终目的在于研制机器搬运取代人工搬运工作，由于现代工业的迅猛发展，使得机器人已被越来越多的应用到科技、生产加工、服务等各个领域，并将有着更加广泛的发展，机器人的研制和生产已迅速发殿起来的一门新兴的技术。机器人是提高生产效率、改善产品质量的重要工具。将机器人应用于生产具有如下优点: 以提高生产过程中的自动化程度，有效的完成工业生产的各种操作流程，以及人工所不能完成的一些操作，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本；以改善劳动条件，避免人身事故，在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而搬运机器人即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故；可以减轻人力，并便于有节奏的生产，代替人进行工作，直接减少人力劳作，同时由于还可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产，是现代机械工业发展的必然趋势，通过机器人及搬运机械手结构设计的分析研究，熟悉了机器人设计分析的思路和流程，了解了我国和世界其他各国机器人的发展水平和现状，认知了当今机械行业的最新前沿科技，检测了自己在分析理论和解决实际问题上的能力，为日后的研究工作打下了良好的基础。 2、国内外发展情况(文献综述) 自从20世纪60年代初人类制造出第一台工业机器人以后，机器人就显示出了极强的生命力。经过四十年的迅速发展，在工业发达国家中，工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等诸多领域中。机器人的分类方法有多种，按其应用可分为，工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人是机器人中的一个重要分支，是机器人领域的重要研究发展方向，对工业机器人运动轨迹规划和控制的研究，一直受到人们的普遍关注。工业机器人已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志，搬运机械人的是工业机器人的一个重要分支，它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。目前，对机器人技术的发展有最重要影响的国家是日本和美国，美国在机器人技术的综合性水平上仍处于领先地位，日本生产的机器人数量和种类则居世界首位。 我国发展机器人技术起步于20世纪70年代末，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。但是我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离。总体来说，我国仍是一个机器人设备的消费市场，行业市场处于发展壮大中，因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，搬运机器人就是为实现这些工序的自动化而产生的。搬运机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国外在这方面的运用不仅在单机、专机上采用，以减轻工人的劳动强度，并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。同时研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到准确搬运的目的。所以搬运机器人以及搬运机械手的研究发展是我国现代化工业发展的必然趋势。
一、前言 1.课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势 1.1课题研究的意义 随着机器人在工业装配线的应用越来越广泛，工业环境对其控制系统的要求也越来越高，所以开放式机器人控制系统的设计具有工程实际意义。 课题以一四自由度关节型机器人研制为背景，设计机器人运动控制系统的硬件电路和软件结构，对机器人的运动控制电路进行设计，实现机器人按照预定轨迹或自主运动控制功能。 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： ①以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 ②以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 ③可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产 随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，对机器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地将其他领域（如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等）的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中，是一项富有挑战性的研究工作。而具有开放式结构的模块化、标准化机器人，其控制系统的研究无疑对提高机器人性能和自主能力，推动机器人技术的发展具有重大意义。 1.2国内外研究现状和发展趋势 随着机器人控制技术的发展，针对结构封闭的机器人控制器的缺陷，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器的一个发展方向。近几年，日本、美国和欧洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器，如日本安川公司基于PC开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制器。我国863计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项。 由于适用于机器人控制的软、硬件种类繁多和现代技术的飞速发展，开发一个结构完全开放的标准化机器人控制器存在一定困难，但应用现有技术，如工业PC
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 搬运机器人结构设计与分析 摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。 本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论，对原有的机械结构提出了新的改进方法，并把现在的新技术应用到本课题中，从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状，提出了具体的搬运机器人设计要求，并根据搬运机器人各部分的设计原则，进行了系统总体方案设计以及包括：机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统，执行元件包括：柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动，进而实现搬运机器人的实际作业。 关键词：搬运机器人；液压系统；机械结构设计；操作
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ Abstract In the modern large-scale manufacturing industry,enterprises to improve productivity, and,guarantee product quality, as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work. The subject of the main part of the handling of their machinery discussions, and on the original mechanical structure proposed for the new improved method, which makes the handling robot is more applicable to the present industrial working environment.Through a detailed understanding of the robot in the industrial application,to propose specific handling robot design requirements,and according to the robot design principles of various parts,for the system as well as including:the robot's hand, wrist, arm, waist, the design of mechanical structures.The transfer robot driven by the source from the hydraulic system, and the implementation of components including:plunger hydraulic cylinders, hydraulic cylinders, swing, telescopic hydraulic cylinders, etc.Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint transport robot motion,And realize the operational handling robot. Keywords：Transfer robot；Hydraulic System；Mechanical Design；Operating
设计题目：基于索驱动的康复训练仿人机械臂 1 项目的背景和意义 近年来，由于各种原因导致肢体残障的人士越来越多。目前造成残障的主要原因有三。其一，由于灾害事故造成肢体残障。由中国康复研究中心完成的北京市脊髓损伤流行病学调查结果显示，我国每年有近十万新增肢体残疾病人，我国残疾人口总数为8296 万，占总人口的 6.34%，涉及 2.6 亿家庭人口。其二，由于人口老龄化导致瘫痪。据第六次人口普查报告可知，截止2010 年我国60 岁以上的老年人已超过 1.78 亿，占总人口的13.26%，比第五次人口普查上升2.93 个百分点；65 岁以上的老年人达到1.19 亿，占总人口的8.87%，比第五次人口普查上升1.91 个百分点。有关部门预计，从2011年到2015 年，全国60 岁以上老年人将由 1.78 亿增加到2.21 亿，平均每年增加老年人860 万；老年人口比重将由13.3%增加到16%，平均每年递增0.54 个百分点，到2030 年全国老年人口规模将会翻一番。并且我国老年人中，长期卧床、生活不能自理的约有2700 万人，半身不遂的约有70 万人，82 万老年性痴呆病人中约有24万人长期卧床。其三，由于中风、脊髓损伤等疾病引起的肢体残障。中风的世界平均发病率为200/10万，且根据世界卫生组织统计，中国的中风发病率排名世界第一；对于脊髓损伤，国外报道其年发病率为每百万人口15~40例，我国上海市1991年统计的脊髓损伤发生率为34.3人/百万人，北京市2002年脊髓损伤发病率为60人/百万人。 由于以上三点的形势比较严峻，导致残障人士越来越多。而残障人士由于生活不能自理，不仅给其自身造成了痛苦，而且对于其家庭和社会而言都带来了极大的负担，因此，残障人士的康复治疗越来越受社会关注。 早期的康复治疗方式主要是通过理疗师一对一指导进行指导，不仅需要大量的康复治疗中心和理疗师，需要很高的成本，同时由于康复治疗中心离患者有一段距离，而这些残障人士一般又难以独立出行，如此会给患者及其家属造成很大的不便。因此，早期康复治疗的发展一直受到了很大的限制。 而随着机器人的发展和康复机器人这一理念的提出，这一限制得到的缓解。由于康复机器人体积小，不需要单独的理疗师辅助治疗，可以方便患者自主在家庭使用，可以降低治疗的费用并且相对方便。这在缓解残障人士给社会带来的压力方面和缓解残障人士的痛苦方面，有着重大的意义。 2 国内外研究发展现状 2.1 康复机器人发展现状 康复机器人涉及机械、电子、控制、生物、传感等多个方面，起步于20世纪80年代，美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。1990 年以前全球的56 个研究中心分布在5 个工业区内：北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。目前康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。 国内康复机器人由于存在技术含量低、产学研脱节、机械加工水平低等原因，使得目前国内的康复机器人主要还处于研究阶段。虽然在“十二五”
外文翻译 专业机械电子工程 学生姓名张华 班级 B机电092 学号 05 指导教师袁健
外文资料名称：Research，design and experiment of end effector for wafer transfer robot 外文资料出处：Industrail Robot：An International Journal 附件： 1.外文资料翻译译文 2.外文原文
晶片传送机器人末端效应器研究、设计和实验 刘延杰、徐梦、曹玉梅 张华译 摘要：目的——晶片传送机器人扮演一个重要角色IC制造行业并且末端执行器是一个重要的组成部分的机器人。本文的目的是使晶片传送机器人通过研究其末端执行器提高传输效率,同时减少晶片变形。 设计/方法/方法——有限元方法分析了晶片变形。对于在真空晶片传送机器人工作,首先,作者运用来自壁虎的超细纤维阵列的设计灵感研究机器人的末端执行器,和现在之间方程机器人的交通加速度和参数的超细纤维数组。基于这些研究,一种微阵列凹凸设计和应用到一个结构优化的末端执行器。对于晶片传送机器人工作在大气环境中,作者分析了不同因素的影响晶片变形。在吸收面积的压力分布的计算公式,提出了最大传输加速度。最后, 根据这些研究得到了一个新的种末端执行器设计大气机器人。 结果——实验结果表明, 通过本文研究应用晶片传送机器人的转换效率已经得到显着提高。并且晶片变形吸收力得到控制。 实际意义——通过实验可以看出,通过本文的研究,可以用来提高机器人传输能力, 在生产环境中减少晶片变形。还为进一步改进和研究末端执行器打下坚实的基础,。 创意/价值——这是第一次应用研究由壁虎启发了的超细纤维阵列真空晶片传送机器人。本文还通过有限元方法仔细分析不同因素在晶片变形的影响。关键词：晶片传送机器人末端执行器、超细纤维数组、晶片 1.介绍
第1章绪论 1.1 概述 据报道，我国60岁以上的老年人已有1.43亿，占全国人口的11％，到2050年将达到4.37亿。在老龄人群众中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状[1]。近年由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多，而且在年龄上呈现年轻化趋势。同时，由于交通运输工具的迅速增长，因交通事故而造成神经心痛损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的患者需要进行康复治疗，仅以中风为例，每年大约有600，000中风幸存者，其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到了更多人的关注，为了提高他们的生活质量，治疗、康复和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，仅预测日本未来机器人市场，2005年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为250，000美元，而到2010年将上升到1，050，000美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。因此，服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景[2]。
康复机器人是康复设备的一种类型。康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。 由于康复训练机器人要与人体直接相连，来带动肢体进行康复训练，所以对驱动器的安全性、柔性的要求较高。近年来，以气动元件柔性驱动器逐渐引起人们的重视，在医疗康复器械领域中得到越来越多的应用。 本课题的研究目的是设计一种用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练系统，帮助病人更好地进行康复训练，减轻他人的帮助，挺高效果。 1.2康复机器人的国内外研究现状 在对有运动障碍的老人或残疾人进行治疗和康复的过程中，使用康复机器人可以解决好多问题：机器人的使用可以解决专业护理人员缺乏和医疗费用昂贵的问题，可以避免由于训练方法不科学和专业护理人员个人疏忽等主观原因引起的对病人的伤害，可供病人在家或工作场所使用，使病人获得更多的独立生活能力，提高了病人的生活质量等。康复机器人是一种自动化医疗康复设备，它以医学理论为依据，帮助患者进行科学而有效的康复训练，使患者的运动机能得到更快更好的恢复。目
机器人分布式控制系统设计与实现 1引言 目前,机器人系统的特点是开放式机器人控制,强调结构化、模块化、 可扩展性、交互性,是对机器人设计结构单一、信息封闭、缺少交互性缺点的突破。分层分布式控制系统采用集中管理，分散控制方式，这种控制方法优点体 现在：集中监控和管理，管理和现场分离，管理更加综合化和系统化；实现分 散控制可使各功能模块的设计、装配、调试以及维护相互独立，系统控制的危 险性分散，可靠性提高，投资减小；采用网络通信技术，可根据需要增加以微 处理器为核心的功能模块，具有良好的系统开放性、扩展性和升级特性。 本论文详细介绍了一种分层分布式控制系统的设计方案，系统由上到下分 为主控中心决策层、车载PC运算层、下位机驱动子层以及位置反馈子层。主 控中心决策层是系统的主层，可以是台式机或笔记本电脑，基于VC++编译环 境设计的人机交互界面，满足友好、便于操作的要求，主控中心决策层的功能 是总体规划和分配任务，对机器人进行远程监控；车载PC运算层为一台笔记 本电脑，基于VC++编译环境设计了控制界面，通过无线网卡与主控中心决策 层进行数据传输，采用面向连接可靠的TCP传输控制协议，保证数据传输的可 靠性；下位机驱动子层和位置反馈子层是相互独立的功能模块，与车载PC运 算层之间通过串口进行通信；下位机驱动子层是一个完整的直流电 机闭环控制系统，包括CPU、控制芯片、驱动芯片以及增量式光电编码器；位置反馈子层通过CPU的I/O口和中断得到机器人车轮轴转角信息，结合机器 人机械系统的实际尺寸计算机器人中心的实际位置信息，处理好的位置信息通 过串口反馈给车载PC运算层。该控制系统应用在国家自然科学基金资助项目 和国家重点基础研究发展计划973项目的移动机器人平台上，运动控制测试结 果表明，分层分布式控制方式控制精度高，稳定性好，系统响应迅速；同时该 控制系统具有超强的计算能力和二次开发潜力，根据项目研究需要可在各个子 层进行分布式扩展，比如在下位机驱动子层和位置反馈子层的同级层中扩展传 感器功能子层，增加机器人的智能。该控制系统为项目的实验工作奠定基础。 2分层分布式控制系统设计 1. 基于VC++的主控中心决策层设计 主控中心决策层的作用是总体规划和分配任务，对机器人进行远程监控。 基于VC++编译环境，采用模块化方法对人机交互系统进行设计，分为网络数 据传输模块、运动参数输入模块、轨迹显示模块、视觉监控模块。如图
名称：基于气动肌肉驱动的飞行蝠鲼设计 创新点： 1、仿生学设计：通过对鱼类蝠鲼水下一种具有特殊运动模式——大胸鳍拍动驱动的的研究， 鱼飞翔在天空是一种让人耳目一新的设计，它既不是扑翼驱动的飞鸟机器人（电机驱动、拍动频率较高、扑翼分段通过铰链连接），也非单纯的飞艇通过氦气充气产生浮力、通过尾部风扇和舵面控制飞行姿态，飞行蝠鲼同时具有这两种运动模式的优点。 2、使用清洁无污染能源：使用气动这种清洁高效的新颖驱动方式替代传统马达、舵机驱动， 能源使用效率高。 3、实现无动力自主悬浮：使用轻木、碳纤维制作飞行蝠鲼的主体骨架，外表为塑料弹性密 封蒙皮，整机分为主机体、左右胸鳍和尾鳍四部分，分部分充入等压氦气，以保证飞行蝠鲼可以自主漂浮在空气中。 4、采用新型动力结构：在飞行蝠鲼的动力部分，胸鳍和尾鳍内部按照真实鱼类拍动鱼鳍的 肌肉作用方向和力量排布相应数量的气动肌肉，使用微型气泵对左右胸鳍和尾鳍按照一定控制指令充入、排出空气，以实现肌肉的拉伸和收缩，通过合理排布的肌肉布局来实现鱼鳍上下拍动和前后卷曲的复杂动作。 5、整机综合性能优良：放弃传统电动和油动小型飞行器的动力系统，飞行蝠鲼几乎达到了 零排放、零污染、零噪声，飞行平稳性非常高，速度不高，但空中机动性能较好，非常适合用做长航时的航拍、侦查和物资投放。 实用性： 1、本飞行器属于浮空飞行器范畴。飞行非常平稳，较垂直方向上尺寸较大的飞艇，其气动 布局更符合流体力学的相关规律，在无动力悬浮空气的情况下，如果有近水平方向气流，可自然产生部分升力，也可通过尾鳍轻松调整飞行蝠鲼的俯仰姿态进而改变其运动轨迹。 2、由于在保证机体采用分段密封的方法，密封效果良好，可在近地或高空长时间低速巡航
第1章绪论 1.1概述 据报道，我国60岁以上的老年人已有1.43亿，占全国人口的11％，到2050年将达到4.37亿。在老龄人群众中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状[1]。近年由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多，而且在年龄上呈现年轻化趋势。同时，由于交通运输工具的迅速增长，因交通事故而造成神经心痛损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。在美国数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的患者需要进行康复治疗，仅以中风为例，每年大约有600，000中风幸存者，其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到了更多人的关注，为了提高他们的生活质量，治疗、康复和服务于他们的产品的技术和质量也在相应地提高。随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，仅预测日本未来机器人市场，2005年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为250，000美元，而到2010年将上升到1，050，000美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。因此，服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景[2]。 康复机器人是康复设备的一种类型。康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。 由于康复训练机器人要与人体直接相连，来带动肢体进行康复训练，所以对驱动器的安全性、柔性的要求较高。近年来，以气动元件柔性驱动器逐渐引起人们的重视，在医疗康复器械领域中得到越来越多的应用。 本课题的研究目的是设计一种用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练 1
摘要 康复机器人是康复设备的一种类型，康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，但是康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。 本文从使用的角度对人体上肢的运动原理进行了分析，设计出了一种坐式上肢康复训练机器人，用于心脑血管疾病致瘫或者意外事故所造成上肢损伤的患者作上肢及其相关关节的康复训练。本设计的康复机器人机身是由放置于平台上的机座，两根可伸缩的立柱和上横梁及其手柄组成，并在其各个组成部分上分别装上上肢屈伸机构、前后摆机构、分合机构和手腕旋转机构；各运动机构由单独的电机和减速器驱动，而传动机构的主件分别是传动轴、丝杠螺母副、同步齿形带传动副。 康复机器人的立柱主要采用薄壁套筒，这样既减轻了重量，也使得丝杠螺母副能构得到套筒的固定和定位。整个设计主要要注意的主要问题是减重和减噪，避免整体结构过于庞大笨重。 关键词：康复；上肢；结构设计；减重；噪音
ABSTRACT Rehabilitation robot is a type of rehabilitation facilities. Rehabilitation robotics have long been well received by the world scientists and the general importance of medical institutions, in which Europe and the United States and Japan, the results are the most significant. Medical Engineering in our country has been received widespread attention though, and rehabilitation robotics still in its infancy, some simple rehabilitation equipment is far from meeting intelligence, ergonomics of the rehabilitation robot needs to be further research and development. This perspective on the human body from the use of upper limb movement principle is analyzed，the seated upper extremity rehabilitation robot is designed , for the paralysis caused by cardiovascular diseases or accidents. The design of the rehabilitation robot body is placed on the platform base, two scalable columns and beams of the handle on the composition and its components are installed on the upper limb flexion which include separate and close agency, before and after agency, lifting agency and the wrist rotation agency; the every movement is driven by the separate drive motor and reducer, and the main parts are the shaft, screw nut pairs, timing belt, deputy. Rehabilitation robot column mainly adopts the thin wall sleeve, so as to reduce weight, also makes the lead screw nut pair can be fixed and the positioning sleeve. The design of the main attention to the major problem is the weight loss and noise reduction, avoid the whole structure is too bulky. Key words：rehabilitation；upper limb；structural design；Weight loss; noise
搬运机器人设计开题报告 毕业设计(论文)开题报告 题目4-DOF搬运机器人的结构设计 专业名称飞行器动力工程 班级学号 08033101 学生姓名 指导教师 填表日期 2012 年 3 月 12 日 说明 开题报告应结合自己课题而作，一般包括:课题依据及课题的意义、国内外研究概况及发展趋势(含文献综述)、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。以下填写内容可根据具体情况适当。各专业修改但每个专业填写内容应保持一致。 一、选题的依据及意义: 传统的工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作。工业现场的很多重体力劳动必将由机器代替,这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人逾10万台，
被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。 应用搬运机器人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用搬运机械人可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都有搬运机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 可见，有效的应用搬运机械手，是发展机械工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段,国内外都很重视它的应用和发展。搬运机器人是典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。 二、国内外研究概况及发展趋势: (1)国内现状及发展趋势 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机器人的分类方法有多种, 按其应用可分为:工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。搬运机械人的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性，如图1、图2的搬运机器
北京理工大学科技成果——气动人工肌肉在仿生机 器人中的应用技术 成果简介 气动人工肌肉驱动器具有较强的柔性及仿生性，其高功率/质量比的特点使之在仿人机器人技术领域中具有无可比拟的优势。对气动人工肌肉的静、动态特性深入进行了建模与实验研究，进行了气动人工肌肉驱动的关节特性分析及位置控制研究。 分别研制出气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手，以及十四自由度双臂机器人，通过简单的材料制作出性能优异的气动人工肌肉，辅之模糊自适应控制、协调控制等高精度气动伺服控制技术，实现了灵巧手基于数据手套的主从抓持操作、机械臂自动驾驶方向盘等动作。该研究为气动人工肌肉的广泛应用奠定了坚实的理论与工程基础。 气动人工肌肉（左）和仿人灵巧手（右） 项目来源国家自然科学基金项目 技术领域新型驱动器，仿人机器人 应用范围低成本研究性仿人机器人；医疗护理性机器人；家政服务型机器人；空间探索性抓持器。
技术特点 以仿人五指灵巧手骨架为核心，气动人工肌肉驱动，柔索传动。由一对肌肉驱动一个手指关节，高响应压电比例阀控制气动人工肌肉的内部压力，从而改变肌肉的收缩长度及输出力，最终控制关节角度的变化。采用模糊PID对单关节进行控制，关节空间的轨迹规划来自人手佩戴的数据手套的反馈信息，由此构成实时主从控制效果。灵巧手的外观具有很好的仿人性，亲和力较强，在主从控制下可以完成各种手势运动及简单的抓持操作。 双臂机器人采用对称式结构设计，每个手臂均具有七个自由度，其中肩关节有三个自由度，肘关节有两个自由度，腕关节亦有两个自由度。单臂控制器由带重力补偿器和摩擦力补偿器的模糊自适应PID 控制，最大的跟踪误差小于0.08rad。双臂协调控制，即在双臂控制回路之间插入动态模糊协调控制器，通过对比双臂对应关节的角位移误差大小，按一定模糊规则对各控制量进行补偿。 双臂机器人 技术创新 低成本气动人工肌肉的研制，十七自由度仿人灵巧手的研制，十
上下肢康复机器人的结构设计与开发 开题报告 班级/学号：机械1101班/2011010015姓名：陈炜 指导教师：刘相权 一、综述 1.1研究的背景和意义 随着医疗卫生条件的发展和经济条件的改善，人类平均寿命不断增长，老年人口日益增多，老龄人群的健康问题也成了人们共同关心和面临的问题。其中，对老年人造成严重伤害的一种疾病就是中风。中风，属于脑血管疾病的一种，其所出现的脑血液循环障碍将直接对人的大脑组织造成不可恢复的损伤，从而导致偏瘫后遗症的产生，偏瘫后遗症的康复治疗更是广大医护工作者和患者所面临的棘手问题。因此，中风由于它的高致残率、高复发率和高死亡率等特点，被世界卫生组织确定为危害当今人类健康的第一杀手。 在当前医疗条件下，医护人员对于患者的急性中风能够采取比较有效的治疗手段来保证患者的生命安全。但是，中风所引起的诸如偏瘫、运动功能障碍、语言功能障碍、神志障碍等后遗症，却成为当今医疗界所面临的一个难题。在中风后遗症患者中，大多属于运动功能障碍，资料显示中风后因运动功能障碍而生活不能自理的高达42.5%。这不仅使得患者生活不能自理，而且也为患者家庭带来极大的心理与经济负担。临床研究表明，对中风后遗症患者，必须争取早期康复治疗，尤其在发病后的前三个月内进行康复治疗是获得理想功能恢复的最佳时机，治疗总有效率可达92.4%。因此，我们迫切需要寻求一种有效的康复手段，使得中风后遗症患者能够最大限度的恢复到正常状态，以减轻患者的生理和心理痛苦，减轻家庭和社会的负担。 目前，在偏瘫上下肢康复训练方面，国内外医疗界所采用的主要是康复训练师亲自对患者进行康复指导和训练。这种治疗方式虽然取得较好的治疗效果，但是仍然存在下述三方面的问题： （1）患者较多的情况下，一名康复训练师不可能在同一时间对多名患者进行有效地康复训练，治疗效率低下。即便是技术娴熟的康复训练师可以同时照顾多名患者，那么由于其体力的限制，也不能保证每个患者都能得到足够强度的康复训练。此外，康复训练师的技术能力不尽相同，不同康复训练师的治疗效果也有很大差异，很难保证每个患者都能得到高效合理的康复治疗。 （2）因为技术差异，一些康复训练师不能根据患者病况程度精确拿捏康复治疗方法和力度，不能准确记录患者康复进程中的各种病况数据，从而导致康复评价指标不够客观合理，影响治疗方案的进一步完善和改进，耽误患者的康复治疗。 （3）由于现在人力成本的不断提高，康复训练师的服务费用也不断增加，对于经济条件较差的患者，其家庭将无力承担高昂的康复训练费用，这也无疑会耽误患者治疗，影响患者一生的幸福。 综上所述，仅依靠康复训练师亲自对患者进行的康复指导和训练，无疑会制约偏瘫后
1前言 1.1 焊接机器人的发展历史与现状 现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。美国原子能委员会下属的阿尔贡研究所为解决可代替人进行放射性物质的处理问题，在1947年研制了遥控式机械手臂；1948年又相继开发了电气驱动式的主从机械手臂，从而解决了对放射性物质的进行远距离操作的问题。1954年，美国科学家戴沃尔最先提出工业机器人的概念，并申请了新的专利。其主要特点是借助伺服技术来控制机器人的关节，并利用人手对机械手臂进行动作示教，机械手臂能实现人物动作的记录和再现。这就是示教再现机械臂，现在所用的机械手臂差不多都采用这种控制方式。伴随着现代社会的发展，为了提高生产效率，稳定和提高产品的质量，加快实现工业生产机械化，改善工人劳动条件，已经大大改进了机械手臂的性能，并大量应用于实际生产中，尤其是在高压、高温、多粉尘、高噪音和重度污染的场合。焊接机器人的诞生可以追溯到上世纪70年代，是由日本发那科（FANUC）公司生产的小型机器人改进的，受限于当时的技术手段以及高昂的造价，使得当时的焊接机器人不能得到很好的应用。机械手臂是一种工业机器人，它由控制器、操作机、检测传感装置和伺服驱动系统组成，是一种可以自动控制、仿人手操作、可以重复编程、可以在三维空间进行各种动作的自动化生产设备。机械手臂首先是在汽车制造工业中使用的，它一般可进行焊接、上下料、喷漆以及搬运。它可代替人们进行从事繁重、单调的重复劳动作业，并且能够大大改善劳动生产率，提高产品的质量[1]。 到了90年代初，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机，采用机器人的利润显然要比采用人工所带来的利大，使得焊机机器人得到了推广，同时技术的进步也使得焊机机器人技术得到很大提高。 进入新世纪之后，由于各国对焊接机器人的不断重视，使得焊接机器人技术取得了很大的进步。同时由于其焊机精度及更低的生产成本，也使得它得到了越来越多的应用。目前，焊接机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻以及热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都还不能满足工业生产发展需要。在一些特殊的行业，使用它来代替人工操作的，主要是在危险作业、多粉尘、高温、噪声、工作空间小等的不适于人工作业的环境。 1.2 焊接机器人发展趋势