7-DOF外骨骼串联式上肢康复机器人的结构设计与研究

摘要

我国是脑卒中发病率最高的国家，而且脑卒中也是我国死亡率最高的疾病之一。随着我国经济的快速发展，医疗条件逐步得到改善，脑卒中后的幸存者越来越多。然而脑卒中后遗症的治疗费用却成了这些患者家庭的沉重经济负担。针对脑卒中后遗症中的上肢偏瘫症状，在机器人学国家重点实验室开放课题资助项目(2013-O008)“基于柔弹性关节的七自由度外骨骼式上肢康复机器人的设计与试验研究”的基金资助下，开展了7-DOF外骨骼串联式上肢康复机器人的研究。具体研究工作内容如下:
　　第一，确定最终机器人机型，并依据各个关节的具体特点进行了结构设计和传动系统的设计。经过对偏瘫患肢康复治疗理论的研究，总结了针对上肢偏瘫患者的治疗措施和上肢康复机器人需要满足的基本要求;然后根据人体上肢各关节的活动度和康复治疗过程中常见动作的施力点和施力方向的要求对课题组已设计的上肢康复机器人机型进行了进一步的优化设计，确定了最终的机器人机型;在此基础上，依据人体工程学和机械加工工艺的要求进行了各个关节的结构设计和传动系统的设计。
　　第二，对设计完成的上肢康复机器人进行运动学及运动空间分析，并获得机器人机构的雅可比矩阵。首先，应用D-H矩阵求解出上肢康复机器人的运动学方程;然后，借助Pro/E进行康复机器人的实体建模，导入到ADAMS中进行运动学仿真，得到末端位移仿真曲线后与理论曲线进行对比分析，检验了理论分析的正确性;在此基础上进行了基于蒙特卡洛理论的运动空间分析为机器人的轨迹规划提供了基础;最后，求解出反应康复机械臂末端与各个关节之间空间速度映射关系的雅可比矩阵。
　　第三，通过对康复机器人的动力学分析，求解出各个关节的额定转矩，然后选定各驱动系统的电机、减速器和电位计等元器件。应用第二类拉格朗日方程的功能平衡方法对康复机器人进行了动力学分析，再应用MATLAB绘制出匀速运动状态下，理论分析所得的力矩变化曲线;然后，把康复机器人的实体模型导入ADAMS中进行动力学仿真，得到在匀速运动状态下各个关节驱动力矩的变化曲线，通过对比验证了理论分析和仿真分析的正确性;最后，利用ADAMS进行匀加速状态下的动力学分析，得到了驱动力矩的最值;在此基础上，依据额定转矩和转速选定电机、减速器和电位计等元器件。
　　第四，设计了一种适用于上肢康复机器人的柔弹性关节，并进行了理论分析和仿真分析。为了克服刚性传动系统的冲击载荷对患肢的影响，设计了一种基于弹性元件的柔弹性关节;然后对柔弹性关节进行了理论分析，应用MATLAB绘制出各个输出参数随弹性元件刚度变化的曲线;再把ADAMS仿真分析的结果与理论分析的结果进行了对比验证。
　　最后，完成了机器人试验样机的制作和部分试验研究。首先，加工出上肢康复机器人机械部分的所有零部件，完成装配后进行各个关节转动范围的验证;其次，进行了样机重力支撑装置的调试;再次，对试验样机进行了运动学、动力学的试验探究;最后，对大臂的上下摆动关节在有重力支撑装置的条件下进行了该关节的动力学试验以检验重力支撑装置的减重效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的来源、研究的背景及意义

1．1．1 课题的来源

1．1．2 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 末端牵引式上肢康复机器人的国内外研究现状

1．2．2 外骨骼式上肢康复机器人的国内外研究现状

1．2．3 国内外上肢康复机器人的发展趋势及存在的问题

1．3 本课题的主要研究内容

第二章 偏瘫患肢康复理论基础及上肢康复机器人的结构设计

2．1 脑卒中引发的运动功能障碍和对应治疗方法

2．1．1 运动功能障碍

2．1．2 运动功能障碍康复方案的选择

2．1．3 康复治疗强度

2．2 肌肉无力

2．3 情绪障碍的康复

2．4 脑卒中后继发障碍的康复

2．4．1 肩痛

2．4．2 肩手综合征

2．4．3 肩关节半脱位

2．4．4 痉挛

2．4．5 关节挛缩

2．5 上肢康复机器人的机型优化和结构设计

2．5．1 机型优化设计

2．5．2 各关节活动范围的确定

2．5．3 结构尺寸选择

2．5．4 重要零部件的结构设计

2．6 整机强度、刚度校核

2．7 本章小结

第三章 7-DOF上肢康复机器人的运动学及运动空间分析

3．1 各关节坐标系的确定

3．2 运动学求解

3．2．1 数学模型的建立

3．2．2 运动学的正解

3．2．3 运动学反解

3．2．4 运动学正解验证

3．3 工作空间分析

3．3．1 工作空间定义

3．3．2 工作空间的求解方法

3．3．3 上肢康复机器人工作空间的求解

3．4 康复机器人的速度分析

3．4．1 康复机器人的微分运动

3．4．2 雅可比矩阵定义

3．4．3 微分变换法求解雅可比矩阵

3．5 本章小结

第四章 7-DOF上肢康复机器人的动力学分析

4．1 康复机器人简化模型的动力学分析

4．1．1 拉格朗日动力学建模

4．1．2 康复机器人的动力学模型简化

4．1．3 Dij的求解

4．1．4 Di的求解

4．2 实例分析

4．3 最大驱动力矩求解

4．4 本章小结

第五章 柔弹性关节的设计与研究

5．1 方案设计

5．1．1 一种涡簧式柔弹性关节

5．1．2 一种扭簧式柔弹性关节

5．1．3 设计方案的分析

5．2 柔弹性关节的简化模型分析

5．2．1 简化模型的理论分析

5．2．2 简化模型的仿真分析

5．3 柔弹性关节的实例分析

5．3．1 理论分析

5．3．2 仿真分析

5．4 本章小结

第六章 整体样机的试验探究

6．1 试验前准备

6．1．1 样机的组装

6．1．2 试验样机整体介绍

6．1．3 样机调试

6．2 运动学试验

6．2．1 试验方案

6．2．2 试验探究

6．2．3 试验分析

6．3 动力学试验

6．3．1 试验方案

6．3．2 试验探究

6．3．3 试验分析

6．4 重力支撑装置试验

6．4．1 重力支撑装置的试验方案

6．4．2 试验研究

6．4．3 试验分析

6．5 本章小结

总结与展望

全文总结

工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果及参与的研究课题

附录