五自由度上肢康复机器人数学建模与仿真

论文摘要

上肢康复训练机器人是医疗机器人的一个重要分支,它以偏瘫上肢的运动再学习理论为依据,融合了康复医学、人体解剖学、机械学、计算机科学及机器人学等诸多学科技术,是当前国内外研究的热点。本课题研究的是一种外骨髂式上肢康复机器人,它的各关节与人的关节相一致,可以模拟手臂的运动规律,使用时通过与患者上肢固定在一起,带动患者进行康复训练,使上肢有运动障碍的病人得到恢复。本文研究的上肢康复机器人具有五个自由度,与人体手臂的运动相适应。根据中国成年人上肢的运动范围确定了康复机器人的结构尺寸,并留有一定余量,以适应不同身高的患者。为了达到理想的康复效果,对康复机器人的控制精度有严格的要求,所以在对上肢康复机器人的研究过程中,运动学模型的建立至关重要。本文在坐标变换理论的基础上,利用D-H法分别对上肢康复机器人进行了运动学分析,得到了上肢康复机器人的正逆运动学方程。通过对上肢康复机器人机械结构特点及运动特性进行分析,将机器人简化为一个空间三自由度机械手,利用拉格朗日方程法、牛顿-欧拉方程法和凯恩方程法分别求解了三个关节的广义驱动力矩的表达式,并对结果进行了整理和比较,得到用凯恩方程法建立动力学模型计算量小,计算效率高,为康复机器人的控制研究奠定了理论基础。应用Matlab仿真软件中的SimMechanics工具箱,按照实际机器人参数,建立了上肢康复机器人的运动学和动力学仿真模型,并对其进行仿真验证。通过比较仿真模型与理论计算得出的末端轨迹,验证了本文建立的模型的正确性,模拟了康复机器人针对不同患者所进行的康复训练动作的运动情况,也为今后设计规划上肢康复机器人的康复运动轨迹提供了一个直观有效的环境。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 康复训练过程
• 1.2.1 康复治疗方法
• 1.2.2 康复训练过程
• 1.3 国内外研究现状及分析
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 存在的问题
• 1.4 主要完成工作
• 第2章 上肢康复机器人系统组成
• 2.1 上肢康复机器人机械结构
• 2.1.1 上肢康复机器人各关节角度及杆件尺寸
• 2.1.2 上肢康复机器人机械结构
• 2.2 上肢康复机器人的驱动系统
• 2.3 上肢康复机器人传感器及信号采集系统
• 2.4 本章小结
• 第3章 上肢康复机器人运动学分析
• 3.1 刚体位姿表示和齐次变换
• 3.2 机器人运动学D-H表示法
• 3.3 正运动学分析
• 3.4 逆运动学分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 上肢康复机器人动力学分析与建模
• 4.1 机器人动力学研究方法
• 4.2 上肢康复机器人动力学模型建立
• 4.2.1 拉格朗日方程法建立动力学方程
• 4.2.2 牛顿-欧拉方程法建立动力学方程
• 4.2.3 凯恩方程法建立动力学方程
• 4.2.4 三种动力学分析方法的比较
• 4.3 本章小结
• 第5章 上肢康复机器人仿真验证
• 5.1 仿真软件介绍
• 5.2 上肢康复机器人运动学模型仿真
• 5.2.1 上肢康复机器人运动学模型搭建
• 5.2.2 上肢康复机器人运动学模型仿真验证
• 5.2.3 上肢康复机器人运动模拟
• 5.3 上肢康复机器人动力学模型仿真
• 5.3.1 上肢康复机器人动力学模型搭建
• 5.3.2 上肢康复机器人动力学模型仿真验证
• 5.4 上肢康复机器人康复训练模拟
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢