上肢康复机器人设计与运动规划

论文摘要

中风和脑外伤而导致的肢体瘫痪患者大多生活无法自理,不仅造成患者生理和心理上的巨大压力,而且给患者家庭和社会带来沉重负担。同时我国和许多国家一样,正步入老龄化社会,据统计,我国60岁以上的老年人口占全国人口的10%以上。康复机器人是在这种需求形式下应运而生的一个研究领域。本论文旨在研制一种上肢康复机器人,并对其进行运动规划。本文在分析5-DOF外骨骼式上肢康复机器人特点的基础上,对康复机器人进行了正运动学、逆运动学分析与康复运动规划研究。选用几何法逆运动学分析,在逆解存在多组解的情况下,以“关节运动程度均衡”作为评价标准选取适合康复运动解。文中提出了3种康复运动模式,针对不同康复运动模式结合干涉检查进行康复运动规划,实现康复运动功能。文中还对上肢康复机器人原型系统进行了运动控制仿真,为此后的物理原型控制做了充分准备。论文主要做了以下研究工作：1、上肢康复机器人方案与结构设计查阅相关资料,分析现有康复机械臂与机械手的缺点和不足,提出了机械臂与机械手合为一体的上肢康复机器人方案,并根据手指的生理特征及主要康复功能来简化机械手设计：一是通过少自由度机构实现,二是通过充气式手套方式实现。采用上述方案研究制定上肢康复机器人,并进行了改进完善设计2、上肢康复机器人分析本文利用连杆坐标系D-H法,建立上肢康复机器人的连杆坐标系简图,建立了该机器人的运动学模型,对机器人进行了运动学正解、逆解问题的研究,并提出以“关节运动程度均衡”作为评价标准选取适合康复运动解；利用图解法对机器人工作空间的正问题进行了分析；采用包容体法建立了上肢康复机器人与人体的简化模型,并对其进行了干涉分析；最后进行了气动平稳性的研究。3、上肢康复机器人康复运动规划文中提出了3种运动模式,分别为患者自主选择模式,被动趣味/功能运动模式以及促进生物反馈康复运动模式。在遵循康复机器人特点的基础上,分别针对3种运动模式进行运动规划,旨在保证患者安全的前提下完成既定康复训练任务。4、上肢康复机器人运动的实现在1-3研究内容的基础上,借助Lab VIEW软件对康复机器人虚拟原型（SolidWorks三维建模）的运动进行驱动控制仿真,以更有效的方式实现对物理原型的控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 上肢康复机器人研究现状
• 1.2.2 机器人运动规划研究现状
• 1.3 本文主要研究内容及方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 第二章 上肢康复机器人设计
• 2.1 人体上肢生理结构
• 2.1.1 人体手臂生理结构
• 2.1.2 人体手部生理结构
• 2.2 上肢康复机器人的设计要求
• 2.2.1 上肢康复机械臂的设计要求
• 2.2.2 上肢康复机械手的设计要求
• 2.3 驱动方案
• 2.3.1 驱动方式介绍
• 2.3.2 驱动方式选择
• 2.4 上肢康复机器人方案及设计
• 2.4.1 上肢康复机械臂的方案与结构设计
• 2.4.2 上肢康复机械手的方案与结构设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 上肢康复机器人分析
• 3.1 运动学分析
• 3.1.1 运动学描述方法
• 3.1.2 正运动学分析
• 3.1.3 逆运动学分析
• 3.1.4 雅可比矩阵
• 3.2 运动空间分析
• 3.2.1 运动空间的基本概念
• 3.2.2 上肢康复机器人运动空间分析
• 3.3 干涉分析
• 3.4 气动平稳性研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 上肢康复机器人的运动规划
• 4.1 运动规划基本概念
• 4.2 自主选择模式
• 4.3 被动趣味运动/功能运动模式
• 4.4 促进生物反馈康复运动模式
• 4.5 本章小结
• 第五章 上肢康复机器人的控制仿真
• 5.1 软件技术简介
• 5.2 控制仿真模型
• 5.3 基于3种运动模式的控制仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢