基于柔弹性驱动关节的混联外骨骼式上肢康复机器人的设计

摘要

脑卒中作为一种脑部血液循环障碍性疾病，因其突发性、高发病率、高死亡率、高致残率和高昂的治疗费用引起普遍关注，上肢偏瘫作为脑卒中发生率较高的临床症状，对患者劳动能力及日常生活影响严重，其治疗手段和康复方法的研究越来越被重视。针对目前上肢偏瘫术后康复训练器械结构功能简单、效果不明显的情况，在机器人学国家重点实验室开放课题(2013-o008)“基于柔弹性驱动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，设计了一款基于柔弹性驱动关节的7-DOF混联外骨骼式上肢康复机器人。
　　首先，通过对人体上肢结构参数（关节结构、自由度及尺寸）和运动参数（关节活动角度）的分析综合以及上肢康复训练的技术要求（动作、频率、幅度），构建了人体上肢模型以及上肢康复机器人的基本结构尺寸参数和运动参数。
　　其次，肩部关节活动范围大、负载力矩大、刚度要求高等特点，设计了混联3-DOF肩部关节，在机构设计、运动学、动力学、机构刚度和工作空间等方面，与目前常见的简单串联3-DOF机构对比发现，在具备更好动力性及更高刚度的同时又兼顾了较大的工作范围，可以作为肩部关节机构。
　　再次，对7-DOF混联上肢康复机器人进行了整机设计，求解了其运动学位置正解并对位置反解的算法进行了初步探究，通过数学计算和计算机模拟验证了理论的正确性。结合上肢康复训练的技术要求，对上肢康复机器人运动学特性进行了相应的分析，通过动力学模拟选择了各关节驱动组合，对其工作空间也进行了相应的分析。
　　然后，针对上肢康复机器人驱动安全舒适和准确的要求，设计了柔弹性驱动关节，减弱驱动起步和停步以及急加速减速等速度波动对肢体造成的二次损伤，增强安全性和舒适性。针对柔弹性驱动关节的技术要求，建立柔弹性驱动关节的数学模型，并对关节柔弹性驱动元件参数的计算方法进行了探究，最后通过计算机仿真验证了柔弹性驱动关节方案的可行性。
　　最后，设计并制造了柔弹性驱动关节试验台，通过试验方法测试了柔弹性驱动关节的性能，结果证明柔弹性驱动关节有一定的弹性缓冲效果，可以提高关节驱动性能。设计制造了肩关节和整机理论样机，进行了肩关节自由度、奇异位形、运动学及静力学等相关试验，另外对整机也进行了运动学试验探究，通过上述试验验证了理论分析的正确性和设计的合理性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 上肢康复技术医学研究背景及意义

1．1．1 脑卒中的成因和危害

1．1．2 脑卒中的治疗及康复训练

1．1．3 机器人应用于上肢康复训练的优势

1．2 国内外上肢康复机器人研究现状

1．2．1 国外上肢康复机器人研究现状

1．2．2 国内上肢康复机器人研究现状

1．2．3 现有上肢康复机器人存在的不足

1．3 课题研究方向与工作内容

1．3．1 课题研究方向

1．3．2 课题工作内容

第二章 建立上肢康复机器人参数模型

2．1 上肢关节解剖学

2．1．1 上肢关节结构及运动

2．1．2 上肢结构模型

2．2 上肢参数模型的建立

2．2．1 上肢尺寸参数

2．2．2 上肢质量参数

2．2．3 标准上肢简化模型

2．3 上肢康复训练参数

2．3．1 脑卒中上肢康复训练疗法简介

2．3．2 上肢康复训练具体操作步骤

2．4 上肢康复机器人设计参数的确定

2．5 本章小结

第三章 肩部3-DOF混联机构设计

3．1 肩部3-DOF机型设计及基础分析

3．1．1 肩部串联3-DOF机构基础分析

3．1．2 肩部混联3-DOF机构基础分析

3．2 肩部三自由度机构运动学分析

3．2．1 肩部串联3-DOF机构运动学分析

3．2．2 肩部混联3-DOF机构运动学分析

3．3 肩部三自由度机构动力学分析

3．3．1 肩部串联3-DOF机构动力学分析

3．3．2 肩部混联3-DOF机构动力学分析

3．4 其他性能分析

3．4．1 奇异位形

3．4．2 工作空间

3．4．3 机构刚度

3．5 肩部优选机型的确定

3．6 本章小结

第四章 上肢康复机器人总体设计与分析

4．1 上肢康复机器人总体机型概述

4．1．1 上肢康复机器人关节布置

4．1．2 上肢康复机器人设计概述

4．2 机构运动学正解分析

4．2．1 运动学位置正解求解

4．2．2 运动学位置正解验证

4．3 运动学逆解探究

4．3．1 运动学逆解求解

4．3．2 运动学逆解实例验证

4．4 上肢康复机器人速度及加速度分析

4．5 工作空间分析

4．6 驱动选型

4．7 本章小结

第五章 上肢康复机器人柔弹性关节设计与探究

5．1 柔弹性元件的设计

5．1．1 柔弹性元件的选择

5．1．2 柔弹性元件的参数计算

5．2 柔弹性驱动关节的结构设计

5．3 柔弹性驱动关节的仿真

5．4 本章小结

第六章 上肢康复机器人试验探究

6．1 柔弹性驱动关节试验探究

6．1．1 柔弹性驱动试验台的搭建

6．1．2 柔弹性驱动关节的试验探究

6．2 肩关节3-DOF理论样机的制作与试验探究

6．2．1 混联肩关节理论样机的制造

6．2．2 混联肩关节样机试验探究

6．3 上肢康复机器人理论样机运动学试验

6．4 本章小结

第七章 论文总结与工作展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的研究课题