穿戴式康復(fù)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、手作為人體重要的器官之一，在日常的生活、工作中具有無可替代的作用，然而其運(yùn)動功能會由于創(chuàng)傷或腦卒中等因素而受損，需借助科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練來恢復(fù)。機(jī)器人技術(shù)在康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用給康復(fù)理論的發(fā)展和臨床康復(fù)技術(shù)的進(jìn)步注入了新的動力。目前，對手部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究已成為醫(yī)療機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。
　　本文重點(diǎn)對康復(fù)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并深入進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析、虛擬樣機(jī)仿真分析、數(shù)據(jù)測量實(shí)驗(yàn)平臺的搭建及物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。

2、　　首先，本文通過探索正常成年男性手指運(yùn)動規(guī)律，擬合出手指三關(guān)節(jié)彎曲角度的變化函數(shù)。在分析人手生物學(xué)特性的基礎(chǔ)上，本文對穿戴式康復(fù)機(jī)械手的手指訓(xùn)練執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)及下位機(jī)控制系統(tǒng)等模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。其中，為解決手指的彎曲/伸展運(yùn)動與內(nèi)收/外展運(yùn)動而設(shè)計(jì)了2自由度的手指訓(xùn)練機(jī)構(gòu);該訓(xùn)練機(jī)構(gòu)將患者手指作為機(jī)構(gòu)的一部分，使機(jī)械手外骨骼關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)中心軸線與患指關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)中心軸線重合，避免發(fā)生患指與機(jī)構(gòu)之間的滑移現(xiàn)象，此外還能夠適應(yīng)不同尺寸手指

3、的患者使用;為簡化控制系統(tǒng)及節(jié)省患者手部的使用空間，采用了單一電機(jī)的驅(qū)動形式。
　　其次，為獲得相應(yīng)理論運(yùn)動參數(shù)及方便后續(xù)控制，本文建立了手指訓(xùn)練執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型并對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析。結(jié)合閉鏈級聯(lián)式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文提出主體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析方法，即根據(jù)各個(gè)外骨骼閉鏈的結(jié)構(gòu)關(guān)系分別建立運(yùn)動學(xué)方程，求解所需參數(shù)。
　　接著，為進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，本文搭建了相關(guān)數(shù)據(jù)測量實(shí)驗(yàn)平臺。該實(shí)驗(yàn)平臺主要由霍爾式角度傳感器、壓阻式力傳感器、端子板

4、及工控機(jī)等部分組成。各傳感器主要用來反饋實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)節(jié)彎曲角度、壓力信號，并傳輸給工控機(jī)進(jìn)行后續(xù)分析。其中，為獲得較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，力傳感器在使用前進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，具體通過調(diào)整驅(qū)動電壓和反饋電阻阻值來獲得最佳壓力測量范圍與最佳壓力測量精度。
　　最后，本文對康復(fù)機(jī)械手進(jìn)行了虛擬樣機(jī)仿真分析及物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究。仿真分析包括對機(jī)械手主體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)仿真進(jìn)行分析。將ADAMS仿真得到的軌跡曲線與MatLab求解得到的軌跡曲線