手部功能康復(fù)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、腦卒中，俗稱中風(fēng)（Stroke），已成為威脅人類健康的首要疾病之一。中風(fēng)患者往往因中樞神經(jīng)系受損而導(dǎo)致上下肢運(yùn)動(dòng)能力喪失，需要依靠康復(fù)訓(xùn)練來重獲運(yùn)動(dòng)功能。機(jī)器人及相關(guān)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(dòng)力，目前，康復(fù)機(jī)器人（Rehabilitation Robot）已成為醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
　　手部功能康復(fù)作為康復(fù)的一個(gè)分支，是指對(duì)手指所進(jìn)行的各種康復(fù)訓(xùn)練，是對(duì)上肢大關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的有

2、力補(bǔ)充。本文重點(diǎn)圍繞手部功能康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析、康復(fù)理論和策略及傳感測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)踐等關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入研究。
　　在人手的生物學(xué)特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文對(duì)手部功能康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。其包括外骨骼手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)掌背調(diào)節(jié)平臺(tái)和后置式人工肌肉模塊三個(gè)部分。基于對(duì)稱齒輪齒條平行滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的外骨骼手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)人手手指長度和粗細(xì)的變化并帶動(dòng)指節(jié)繞關(guān)節(jié)中心運(yùn)動(dòng)，避免對(duì)手指關(guān)節(jié)

3、造成牽扯或擠壓傷害；18自由度自適應(yīng)掌背調(diào)節(jié)平臺(tái)能夠保證外骨骼手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠、穩(wěn)定地佩戴在手上；而后置式人工肌肉模塊可將電機(jī)、減速器等后置到小臂，降低外骨骼手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)重量，減輕對(duì)患者腕部的負(fù)擔(dān)。
　　針對(duì)機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，本文對(duì)手部功能康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)求解和力學(xué)分析。針對(duì)外骨骼手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的閉鏈級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)，提出手部功能康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法，即：針對(duì)手指主運(yùn)動(dòng)開鏈，采用D-H參數(shù)法求運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，采用變量代換法求運(yùn)動(dòng)

4、學(xué)逆解及采用微分變換法求雅可比矩陣；針對(duì)各外骨骼閉鏈，根據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系直接寫出運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；綜合手指主運(yùn)動(dòng)開鏈和各外骨骼閉鏈的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析寫出外骨骼手指及整個(gè)手部功能康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。對(duì)手部功能康復(fù)機(jī)器人的力學(xué)分析則解決了外骨骼手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)及靜力學(xué)問題。
　　通過研究手部功能康復(fù)機(jī)器人的系統(tǒng)架構(gòu)及其康復(fù)和控制策略，本文對(duì)手部功能康復(fù)機(jī)器人的傳感測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過給機(jī)器人布置位置傳感器和力傳感器，使得機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置信

5、息以及人手與機(jī)器人的交互作用狀態(tài)信息能夠?qū)崟r(shí)反饋給控制系統(tǒng)。
　　最后，本文對(duì)手部功能康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究。仿真分析包括外骨骼關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真、單指獨(dú)立的動(dòng)力學(xué)仿真和五指協(xié)同的靈巧性仿真分析；實(shí)驗(yàn)研究包括人手適應(yīng)性試驗(yàn)、CPM康復(fù)實(shí)驗(yàn)、人機(jī)交互作用力測(cè)定實(shí)驗(yàn)和患者主動(dòng)介入式康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)。仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，手部功能康復(fù)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，康復(fù)原理及策略可行，可以用于中風(fēng)患者手部功能的