7-DOF外骨骼串聯(lián)式上肢康復機器人的結(jié)構(gòu)設計與研究.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用卻成了這些患者家庭的沉重經(jīng)濟負擔。針對腦卒中后遺癥中的上肢偏癱癥狀，在機器人學國家重點實驗室開放課題資助項目(2013-O008)“基于柔彈性關(guān)節(jié)的七自由度外骨骼式上肢康復機器人的設計與試驗研究”的基金資助下，開展了7-DOF外骨骼串聯(lián)式上肢康復機器人的研究。具體研究工作

2、內(nèi)容如下:
　　第一，確定最終機器人機型，并依據(jù)各個關(guān)節(jié)的具體特點進行了結(jié)構(gòu)設計和傳動系統(tǒng)的設計。經(jīng)過對偏癱患肢康復治療理論的研究，總結(jié)了針對上肢偏癱患者的治療措施和上肢康復機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)的活動度和康復治療過程中常見動作的施力點和施力方向的要求對課題組已設計的上肢康復機器人機型進行了進一步的優(yōu)化設計，確定了最終的機器人機型;在此基礎上，依據(jù)人體工程學和機械加工工藝的要求進行了各個關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設計和傳

3、動系統(tǒng)的設計。
　　第二，對設計完成的上肢康復機器人進行運動學及運動空間分析，并獲得機器人機構(gòu)的雅可比矩陣。首先，應用D-H矩陣求解出上肢康復機器人的運動學方程;然后，借助Pro/E進行康復機器人的實體建模，導入到ADAMS中進行運動學仿真，得到末端位移仿真曲線后與理論曲線進行對比分析，檢驗了理論分析的正確性;在此基礎上進行了基于蒙特卡洛理論的運動空間分析為機器人的軌跡規(guī)劃提供了基礎;最后，求解出反應康復機械臂末端與各個關(guān)節(jié)之間空

4、間速度映射關(guān)系的雅可比矩陣。
　　第三，通過對康復機器人的動力學分析，求解出各個關(guān)節(jié)的額定轉(zhuǎn)矩，然后選定各驅(qū)動系統(tǒng)的電機、減速器和電位計等元器件。應用第二類拉格朗日方程的功能平衡方法對康復機器人進行了動力學分析，再應用MATLAB繪制出勻速運動狀態(tài)下，理論分析所得的力矩變化曲線;然后，把康復機器人的實體模型導入ADAMS中進行動力學仿真，得到在勻速運動狀態(tài)下各個關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的變化曲線，通過對比驗證了理論分析和仿真分析的正確性;最后

5、，利用ADAMS進行勻加速狀態(tài)下的動力學分析，得到了驅(qū)動力矩的最值;在此基礎上，依據(jù)額定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速選定電機、減速器和電位計等元器件。
　　第四，設計了一種適用于上肢康復機器人的柔彈性關(guān)節(jié)，并進行了理論分析和仿真分析。為了克服剛性傳動系統(tǒng)的沖擊載荷對患肢的影響，設計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)進行了理論分析，應用MATLAB繪制出各個輸出參數(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