创伤手指康复外骨骼系统的研究

摘要

当今社会人们对自己的健康越来越关注使得康复医疗技术迅速发展，各种各样的康复手段也变得越来越多样化，越来越先进。于此同时，机器人的应用领域也在不断地扩展。用作于医学治疗的康复机器人越来越受到人们的重视。尤其是在对肢体残疾患者的康复治疗中，借助于康复训练机器人，患者可以更快和更好地进行康复治疗。本论文所研究的康复外骨骼是针对于脑卒中（又称脑中风）患者的手指进行康复训练的外骨骼训练装置。
　　首先，本文对于国内外有关手指康复外骨骼的研究现状进行了系统的总结和分析。在此分析的基础之上，归纳得出现存的针对于手指康复的外骨骼设计上所存在的优点和不足。以此为基础提出全新的手指康复外骨骼设计方案。在能够达到康复训练的前提之下，避免出现其他外骨骼设计中所出现的缺点和不足。
　　其次，在对外骨骼的结构进行合理设计之前，首先对正常人的手指尺寸和手指弯曲运动过程进行相应的测量和实验研究。得出正常人手指的基本尺寸，以此作为手指康复外骨骼的尺寸设计基础。并且通过对于手指弯曲过程的研究，得到手指弯曲时各个关节旋转速度之间的关系，得到的结论将应用于外骨骼的控制部分设计。
　　再次，通过前面对于手指运动状态的测量和分析，提出手指康复外骨骼的运动原理。对选取的运动原理进行深入研究后，设计外骨骼的结构。并且同时运用三维制图软件，将设计出的手指康复外骨骼结构用三维的方式建模呈现出来，这样方便于对结构的观察和改进。之后对建模后的外骨骼进行运动学和动力学的分析。
　　最后设计出外骨骼的驱动部分和控制部分，得到相对完整的手指康复外骨骼设计。并且通过仿真的方式对外骨骼进行验证，得到相应的结论。其中包括通过仿真软件对外骨骼的弯曲运动进行仿真，验证电机的选取是否合理。通过对受力较大的结构件进行在弯曲过程中，其应力、应变的变化图来验证该结构件的材料选取是否合理，是否能够满足强度需求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 课题来源以及研究背景、意义

1．2．1 课题来源

1．2．2 课题研究背景

1．2．3 课题研究的意义

1．2．4 理论意义和实际应用价值

1．3 国内外的研究现状

1．3．1 康复机器人的研究概述

1．3．2 国外发展现状

1．3．3 国内发展现状

1．4 本课题主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 手指尺寸与运动的研究

2．1 设计尺寸参考

2．1．1 手指结构

2．1．2 手指尺寸参考

2．2 手指弯曲运动

2．2．1 弯曲运动角度研究

2．3 手指各关节弯曲速度关系

2．3．1 研究目的

2．3．2 研究方法

2．3．3 实验对象的选择

2．3．4 实验用具

2．3．5 实验过程

2．3．6 研究结论

2．4 本章小结

第3章 外骨骼结构设计

3．1 设计要求

3．2 外骨骼运动原理设计

3．3 设计整体

3．4 各个部分的设计

3．4．1 结构件1的设计

3．4．2 结构件2的设计

3．4．3 结构件3的设计

3．4．4 关节MP装配设计

3．4．5 关节PIP装配设计

3．4．6 关节DIP装配设计

3．5 材料的选择

3．6 本章小结

第4章 外骨骼运动分析

4．1 引言

4．2 运动学分析

4．2．1 刚体平面运动

4．2．2 刚体平面运动的基本概念

4．2．3 刚体的平面简化

4．2．4 手指与外骨骼运动关系

4．2．5 手指末端位姿矩阵

4．2．6 滑块滑移距离计算

4．2．7 相对运动距离

4．3 转矩计算

4．4 本章小结

第5章 驱动控制和仿真

5．1 驱动方式

5．1．1 传动方式的选择

5．1．2 电机类型确定

5．2 外骨骼驱动原理

5．3 驱动系统的组成及作用

5．3．1 电机的选择

5．3．2 驱动部分零件设计

5．4 控制部分设计

5．4．1 驱动器选择

5．4．2 电机控制系统组成

5．4．3 FPGA的硬件线路

5．5 仿真和验证

5．5．1 电机功率验证

5．5．2 材料选择验证

5．6 本章小结

第6章 结论和建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢