3DOF可穿戴式上肢康复机器人结构设计及仿真研究

论文摘要

外骨骼系统是机器人研究领域中的一个分支,它是一种各关节与人体关节相一致,并依附于人体外部的机械系统。操作者与外骨骼之间可以进行直接的力及其它各种信息的传递,因此,非常适合用于运动功能障碍患者的康复医疗。本文从实用的角度出发对人体上肢的运动原理进行了分析,根据人体上肢的结构特点及可穿戴性外骨骼的功能要求,设计了一种3DOF可穿戴式上肢康复机器人的结构方案;利用连杆坐标系的D-H方法,建立了可穿戴式上肢机器人的连杆坐标系简图,构建了该机器人的运动学模型,对可穿戴式上肢机器人进行了运动学正、逆问题研究;并推导出了机器人雅可比矩阵,通过机器人的雅可比矩阵可以在机器人关节速度已知情况下,计算出机器人末端在空间的运动速度;利用图解法对工作空间的正问题进行了分析,说明了机器人的工作空间的大小及杆长对工作空间的影响。利用设计软件Pro/E建立机器人本体结构模型,并通过M/Pro接口模块将机器人本体结构模型导入到仿真软件ADAMS中,建立了其样机仿真模型,对机器人进行了运动仿真,得到实际工作域轨迹,对各关节角度及角速度进行了分析,得到了系统及各个构件在任意时刻的位置、速度和加速度仿真曲线,验证了机器人方案结构设计和运动分析的合理性和正确性,为机器人的后续研究提供了理论及数据依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的、意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 国外发展概况
• 1.2.2 国内发展状况
• 1.3 论文主要研究工作
• 第2章 机器人总体结构设计
• 2.1 机器人的设计要求及原理
• 2.1.1 人体上肢运动分析
• 2.1.2 机器人设计原理
• 2.2 机器人总体方案设计
• 2.3 机器人驱动方案设计
• 2.3.1 驱动方式的选择
• 2.3.2 驱动方式的设计
• 2.4 机器人总体机械结构
• 2.5 本章小结
• 第3章 机器人的运动学分析
• 3.1 机器人的运动学正分析
• 3.1.1 连杆坐标系及连杆参数的确定
• 3.1.2 连杆变换和运动学方程
• 3.2 机器人的运动学逆分析
• 3.3 机器人的雅可比矩阵
• 3.3.1 雅可比矩阵的定义
• 3.3.2 微分变换法求雅可比矩阵
• 3.4 本章小结
• 第4章 机器人的运动空间分析
• 4.1 工作空间的基本概念
• 4.2 工作空间的确定方法
• 4.3 关节杆长对工作空间的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 机器人运动学的ADAMS仿真
• 5.1 ADAMS软件简介
• 5.2 机器人仿真模型的建立
• 5.2.1 机器人仿真模型的导入
• 5.2.2 模型检验
• 5.3 机器人运动学仿真分析
• 5.3.1 机器人工作轨迹分析
• 5.3.2 关节转角的仿真
• 5.3.3 关节角速度的仿真
• 5.3.4 末端位移的仿真
• 5.3.5 末端速度的仿真
• 5.3.6 末端加速度的仿真
• 5.4 机器人运动学解的校验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢