手部功能康復機器人機械系統(tǒng)的設(shè)計與研究.pdf

1、腦卒中，俗稱中風（Stroke），已成為威脅人類健康的首要疾病之一。中風患者往往因中樞神經(jīng)系受損而導致上下肢運動能力喪失，需要依靠康復訓練來重獲運動功能。機器人及相關(guān)技術(shù)在康復領(lǐng)域的應用給康復理論的發(fā)展和臨床康復技術(shù)的進步注入了新的動力，目前，康復機器人（Rehabilitation Robot）已成為醫(yī)療機器人領(lǐng)域的研究熱點之一。
　　手部功能康復作為康復的一個分支，是指對手指所進行的各種康復訓練，是對上肢大關(guān)節(jié)運動功能康復的有

2、力補充。本文重點圍繞手部功能康復機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學和力學分析、康復理論和策略及傳感測量系統(tǒng)設(shè)計、仿真和實踐等關(guān)鍵問題進行了深入研究。
　　在人手的生物學特性進行分析的基礎(chǔ)上，本文對手部功能康復機器人的機械驅(qū)動系統(tǒng)進行了設(shè)計和研究。其包括外骨骼手指驅(qū)動機構(gòu)、自適應掌背調(diào)節(jié)平臺和后置式人工肌肉模塊三個部分?；趯ΨQ齒輪齒條平行滑動機構(gòu)的外骨骼手指驅(qū)動機構(gòu)能夠適應人手手指長度和粗細的變化并帶動指節(jié)繞關(guān)節(jié)中心運動，避免對手指關(guān)節(jié)

3、造成牽扯或擠壓傷害；18自由度自適應掌背調(diào)節(jié)平臺能夠保證外骨骼手指驅(qū)動機構(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、減速器等后置到小臂，降低外骨骼手指驅(qū)動機構(gòu)重量，減輕對患者腕部的負擔。
　　針對機械驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，本文對手部功能康復機器人進行了運動學求解和力學分析。針對外骨骼手指驅(qū)動機構(gòu)的閉鏈級聯(lián)式結(jié)構(gòu)，提出手部功能康復機器人的運動學分析方法，即：針對手指主運動開鏈，采用D-H參數(shù)法求運動學正解，采用變量代換法求運動

4、學逆解及采用微分變換法求雅可比矩陣；針對各外骨骼閉鏈，根據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系直接寫出運動學方程；綜合手指主運動開鏈和各外骨骼閉鏈的運動學分析寫出外骨骼手指及整個手部功能康復機器人的運動學方程。對手部功能康復機器人的力學分析則解決了外骨骼手指驅(qū)動機構(gòu)的動力學及靜力學問題。
　　通過研究手部功能康復機器人的系統(tǒng)架構(gòu)及其康復和控制策略，本文對手部功能康復機器人的傳感測量系統(tǒng)進行了設(shè)計。通過給機器人布置位置傳感器和力傳感器，使得機器人各關(guān)節(jié)的位置信

5、息以及人手與機器人的交互作用狀態(tài)信息能夠?qū)崟r反饋給控制系統(tǒng)。
　　最后，本文對手部功能康復機器人進行了仿真分析及實驗研究。仿真分析包括外骨骼關(guān)節(jié)的運動學及動力學仿真、單指獨立的動力學仿真和五指協(xié)同的靈巧性仿真分析；實驗研究包括人手適應性試驗、CPM康復實驗、人機交互作用力測定實驗和患者主動介入式康復訓練實驗。仿真分析及實驗研究結(jié)果表明，手部功能康復機器人機械系統(tǒng)設(shè)計合理、運行穩(wěn)定可靠，康復原理及策略可行，可以用于中風患者手部功能的