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上肢康复机器人设计与运动规划摘要中风和脑外伤而导致的肢体瘫痪患者大多生活无法自理,不仅造成患者生理和心理上的巨大压力,而且给患者家庭和社会带来沉重负担。同时我国和许多国家一样,正步入老龄化社会,据统计,我国岁以上的老年人口占全国人口的%以上。康复机器人是在这种需求形式下应运而生的一个研究领域。本论文旨在研制一种上肢康复机器人,并对其进行运动规划。本文在分析籇外骨骼式上肢康复机器人特点的基础上,对康复机器人进行了正运动学、逆运动学分析与康复运动规划研究。选用几何法逆运动学分析,在逆解存在多组解的情况下,以“关节运动程度均衡魑F兰郾曜佳∪∈屎峡蹈丛硕狻N闹刑岢隽种康复运动模式,针对不同康复运动模式结合干涉检查进行康复运动规划,实现康复运动功能。文中还对上肢康复机器人原型系统进行了运动控制仿真,为此后的物理原型控制做了充分准备。论文主要做了以下研⑸现ǹ蹈椿魅朔桨赣虢峁股杓查阅相关资料,分析现有康复机械臂与机械手的缺点和不足,提出了机械臂与机械手合为一体的上肢康复机器人方案,并根据手指的生理特征及主要康复功能来简化机械手设计:一是通过少自由度机构究工作:东华人学硕士学位论文
实现,二是通过充气式手套方式实现。采用上述方案研究制定上肢康复机器人,并进行了改进完善设计。⑸现ǹ蹈椿魅朔治本文利用连杆坐标系狧法,建立上肢康复机器人的连杆坐标系简图,建立了该机器人的运动学模型,对机器人进行了运动学正解、逆解问题的研究,并提出以“关节运动程度均衡魑F兰郾曜佳∪∈合康复运动解;利用图解法对机器人工作空间的正问题进行了分析;采用包容体法建立了上肢康复机器人与人体的简化模型,并对其进行了干涉分析;最后进行了气动平稳性的研究。⑸现ǹ蹈椿魅丝蹈丛硕婊文中提出了衷硕J剑直鹞;颊咦灾餮≡衲J剑欢の/功能运动模式以及促进生物反馈康复运动模式。在遵循康复机器人特点的基础上,分别针对衷硕J浇性硕婊荚诒Vせ颊安全的前提下完成既定康复训练任务。⑸现ǹ蹈椿魅嗽硕氖迪在研究内容的基础上,借助软件对康复机器人虚的方式实现对物理原型的控制。关键词:上肢康复机器人;运动学分析;干涉分析;康复运动规划;虚拟原型;控制仿真拟原型琽的运动进行驱动控制仿真,以更有效东华大学硕士学位论文摘要
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第一章绪论研究背景及意义据年最新统计,我国中风发病率是欧美发达国家的倍,是同本的倍,加之脑外伤等疾病而导致我国肢体瘫痪患者数量显著增加,其中大多生活无法自理,不仅造成患者生理和心理上的巨大压力,而且给患者家庭和社会带来了沉重的负担。同时我国和许多国家一样,『饺肜狭浠萃臣疲夜暌上的老年人既ü丝诘ヒ陨稀2⑶宜孀呕魅思际醪欢戏⒄挂约坝τ昧域的不断扩展,机器人已被应用于同常生活的多方面。康复机器人是在这种需求形式下应运而生的一个研究领域,它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域,并且已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。将康复机器人引入到偏瘫康复训练中,己经逐渐得到国内外研究人员的重视,并已取得一定的成果。根据康复机器人康复的对象,可以将康复机器人分为下肢康复机器人、上肢康复机器人、腰部康复机器人和手部康复机器人。其中手是人体最复杂的器官之一,在人体的各个关节中,手部的关节自由度多、结构也最为复杂。但由于各方面受技术水平的限制,大多数康复机器人仍停留在“大关节”的康复范围内,对于腕关节和手指关节这样的“小关节”的康复机器人研究较本文在现有瓺上肢康复机器人手臂的基础上,根据现实手功能医疗康复方法和连续被动活动砺郏允种冈硕薪S敕抡娣治觯陨计适合于手功能主要康复训练机械手。康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合,我们期望康复机器人具有以下一些特点:蹈椿魅擞牖颊叽υ谕豢占淅垂餐瓿扇挝瘢沟冒踩和稳定性成为康复机器人首先要保证的;蹈椿魅瞬灰愿呔ǘ瓤刂朴肟焖响应为主要指标,而以完成既定康复运动为主要目标,使患肢各运动关节能均衡获得有效康复训练;蹈垂讨星康魈岣呷嘶换バ杂胄餍裕荚诖偈怪肢被动运动产生肢体运动信号的同时又能刺激患者大脑产生支配运动信号,有效促进生物反馈,更好地完成患肢的康复。基于以上特点,本文提出康复运动规划应与传统工业机器人的运动轨迹规划有所不同。康复机器人不以有利于高精度控制与快速响应等为目标进行运动规划,而是设计运动终点或目标轨迹,通过运动规划完成有利于康复训练任务的路径与关节运动。康复机器人的这种运动规划可以保证其平稳、可靠的完成康复运动,并将其机构木端工作空间限制在保证患者安全的范围内,从而为研究现实环少东华大学硕士学位论文