复现人体上肢功能运动的机械臂设计方法研究

摘要

随着肢体残疾人群数量的增多，以及人口老龄化趋势的不断增长，社会对肢体运动康复的需求愈加迫切，拟人臂已成为国内外研究的热点。拟人臂作为与穿戴者交互的装置，其运动的拟人性至关重要，且需与人体上肢的运动能力、结构质量和外形尺寸相匹配。针对以上两点，本文建立一种能够复现人体上肢功能运动的机械臂的设计方法，为人体上肢运动功能的修复、重建和增强提供技术支撑。本论文的主要工作包括： （1）分析了人体上肢主要关节的解剖学结构及其运动形式，并确定了拟人臂的各关节运动范围；根据人体上肢的生理参数，提出了拟人臂结构尺寸的设计要求。 （2）提取了人体上肢运动链，并对简化的运动链进行了正运动学分析；通过对人体上肢功能运动数据的多元统计分析，提出了拟人臂运动轨迹需满足的要求，以及腕部姿态与上肢各关节的运动协同关系，建立了拟人臂反解的求解方法。 （3）建立了驱动-测量（力-位）-执行一体化的拟人臂关节设计方法，构建了拟人臂测试实验平台，通过人体上肢功能运动复现的实验验证了拟人臂设计方法的合理性。

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机械臂设计方法研究

A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree for the Master of Engineering

摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景及意义

1.3 国内外研究概况

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.3.3 存在的问题

1.4 论文的主要研究内容

2 人体上肢关节特征及其运动学分析

2.1 上肢主要关节的运动分析

2.1.1 肩关节结构及运动分析

2.1.2 肘关节运动分析

2.1.3 腕关节运动分析

2.2 上肢关节运动范围及生理学参数分析

2.2.1 肩关节复合体运动范围

2.2.2 肘腕关节运动范围

2.2.3 上臂和前臂长度

2.3 本章小结

3 拟人臂的运动链设计及运动学分析

3.1 拟人臂的运动链设计

3.1.1 人体上肢运动链的提取

3.1.2 人体上肢运动链的简化

3.2 拟人臂运动学正解

3.3 拟人臂运动学反解

3.3.1 人体上肢功能运动特征分析

3.3.2 七自由度拟人臂运动学反解

3.4 本章小结

4 拟人臂结构设计与实验验证

4.1 拟人臂结构设计

4.1.1 七自由度假肢手臂总体设计

4.1.2 假肢臂关节的机构设计

4.1.3 七自由度假肢手臂受力分析及优化

4.2 拟人臂的功能运动实验

4.3本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 课题展望

致 谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间申请专利目录