7-DOF外骨骼串聯(lián)式上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、我國是腦卒中發(fā)病率最高的國家，而且腦卒中也是我國死亡率最高的疾病之一。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，醫(yī)療條件逐步得到改善，腦卒中后的幸存者越來越多。然而腦卒中后遺癥的治療費(fèi)用卻成了這些患者家庭的沉重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。針對腦卒中后遺癥中的上肢偏癱癥狀，在機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(2013-O008)“基于柔彈性關(guān)節(jié)的七自由度外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究”的基金資助下，開展了7-DOF外骨骼串聯(lián)式上肢康復(fù)機(jī)器人的研究。具體研究工作

2、內(nèi)容如下:
　　第一，確定最終機(jī)器人機(jī)型，并依據(jù)各個(gè)關(guān)節(jié)的具體特點(diǎn)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過對偏癱患肢康復(fù)治療理論的研究，總結(jié)了針對上肢偏癱患者的治療措施和上肢康復(fù)機(jī)器人需要滿足的基本要求;然后根據(jù)人體上肢各關(guān)節(jié)的活動(dòng)度和康復(fù)治療過程中常見動(dòng)作的施力點(diǎn)和施力方向的要求對課題組已設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)型進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了最終的機(jī)器人機(jī)型;在此基礎(chǔ)上，依據(jù)人體工程學(xué)和機(jī)械加工工藝的要求進(jìn)行了各個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳

3、動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
　　第二，對設(shè)計(jì)完成的上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)動(dòng)空間分析，并獲得機(jī)器人機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣。首先，應(yīng)用D-H矩陣求解出上肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程;然后，借助Pro/E進(jìn)行康復(fù)機(jī)器人的實(shí)體建模，導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到末端位移仿真曲線后與理論曲線進(jìn)行對比分析，檢驗(yàn)了理論分析的正確性;在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于蒙特卡洛理論的運(yùn)動(dòng)空間分析為機(jī)器人的軌跡規(guī)劃提供了基礎(chǔ);最后，求解出反應(yīng)康復(fù)機(jī)械臂末端與各個(gè)關(guān)節(jié)之間空

4、間速度映射關(guān)系的雅可比矩陣。
　　第三，通過對康復(fù)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析，求解出各個(gè)關(guān)節(jié)的額定轉(zhuǎn)矩，然后選定各驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)、減速器和電位計(jì)等元器件。應(yīng)用第二類拉格朗日方程的功能平衡方法對康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，再應(yīng)用MATLAB繪制出勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，理論分析所得的力矩變化曲線;然后，把康復(fù)機(jī)器人的實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到在勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的變化曲線，通過對比驗(yàn)證了理論分析和仿真分析的正確性;最后

5、，利用ADAMS進(jìn)行勻加速狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)分析，得到了驅(qū)動(dòng)力矩的最值;在此基礎(chǔ)上，依據(jù)額定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速選定電機(jī)、減速器和電位計(jì)等元器件。
　　第四，設(shè)計(jì)了一種適用于上肢康復(fù)機(jī)器人的柔彈性關(guān)節(jié)，并進(jìn)行了理論分析和仿真分析。為了克服剛性傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊載荷對患肢的影響，設(shè)計(jì)了一種基于彈性元件的柔彈性關(guān)節(jié);然后對柔彈性關(guān)節(jié)進(jìn)行了理論分析，應(yīng)用MATLAB繪制出各個(gè)輸出參數(shù)隨彈性元件剛度變化的曲線;再把ADAMS仿真分析的結(jié)果與理論分析的結(jié)果進(jìn)