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上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動仿真
開題報告
班級：機(jī)械1202 學(xué)號：2012010034
姓名：石雨 指導(dǎo)教師：高宏
一、綜述
1.1課題背景意義
中風(fēng)，或稱腦卒中，亦稱為腦血管意外，是指由各種原因引起腦動脈系統(tǒng)和靜脈系統(tǒng)發(fā)生病理性改變所造成的一類疾病。中風(fēng)所出現(xiàn)的腦血液循環(huán)障礙直接影響腦組織，并使腦細(xì)胞發(fā)生功能性或器質(zhì)改變。中風(fēng)具有高死亡率、高復(fù)發(fā)率以及高致殘率等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響了人們的生存質(zhì)量及生命。世界衛(wèi)生組織將這種病確定為當(dāng)今人類的第一殺手。一旦患了中風(fēng)，重者死亡，輕者半身癱瘓，生活不能自理，給患者的生活、工作、學(xué)習(xí)帶來極大的不便，也給患者帶來了極大的精神痛苦，同時也給患者家人和社會帶來負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2005年全球因腦卒中死亡的人數(shù)估計達(dá)570萬以上，如果不采取措施，預(yù)計到2015年會增加到650萬，到2030年這一數(shù)字將會突破780萬。我國每年的新發(fā)病率為250萬，其中因腦卒中死亡的達(dá)150萬，世界衛(wèi)生組織對我國做過研究，他們預(yù)測如果增長不變的話，到2030年將有400萬死于腦卒中。因此，腦卒中的防治已成為國內(nèi)外醫(yī)療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
隨著世界各國相繼進(jìn)入老齡化，中風(fēng)患者勢必越來越多。科技的發(fā)展使醫(yī)護(hù)人員對于急性中風(fēng)患者能夠采取比較有效的治療手段，中風(fēng)后能夠幸存下來的人越來越多。但是通常中風(fēng)患者易殘留各種各樣的后遺癥，如偏癱、語言功能障礙、運(yùn)動功能障礙、神志障礙、面癱(口眼歪斜)、二便失禁等，一般以運(yùn)動功能障礙居多，重者影響正常生活。在幸存者中有70％一80％殘留有不同的殘疾，一組資料顯示生活不能自理者高達(dá)42．5％。因中風(fēng)而導(dǎo)致運(yùn)動功能障礙，常常對患者本人及家庭造成心理和其它方面的沖擊。社會和家庭需要花費(fèi)極大的代價來治療和護(hù)理這些患者，造成社會成本的極大浪費(fèi)。岡此，尋求有效的康復(fù)手段，使患者能夠在一定程度上恢復(fù)失去的功能，不僅有利于提高患者本身的生活質(zhì)量，也可以減輕家庭及社會的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
隨著我國腦神經(jīng)外科技術(shù)的不斷發(fā)展，雖然越來越多的腦血管疾病患得到了及時的手術(shù)治療，但大部分患者在手術(shù)后會伴隨后遺癥。對中風(fēng)后遺癥患者，必須爭取早期康復(fù)治療，尤其在發(fā)病后的前三個月內(nèi)的康復(fù)治療是獲得理想功能恢復(fù)的最佳時機(jī)，但對病程長者，其潛在功能恢復(fù)力也不容忽視，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的康復(fù)治療，也可達(dá)到改善功能的效果。根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)，在發(fā)病后兩年內(nèi)，如果康復(fù)措施得當(dāng)，會有不同程度的恢復(fù)。進(jìn)行系統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練能夠幫助患者提高其自理能力，降低致殘率，讓患者早日回歸并適應(yīng)家庭和社會生活?？梢姡兄浅Ｖ匾囊饬x和作用。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
康復(fù)機(jī)器人是機(jī)器人科學(xué)與康復(fù)醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科，是機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中的新應(yīng)用。康復(fù)機(jī)器人具體又可分為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和功能輔助型機(jī)器人兩種。前者的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動功能的恢復(fù)性訓(xùn)練，如人的下肢行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動訓(xùn)練、脊椎牽引運(yùn)動訓(xùn)練、頸部運(yùn)動訓(xùn)練等；后者的主要功能是用來幫助肢體運(yùn)動功能障礙的患者完成各種運(yùn)動，如智能輪椅、導(dǎo)盲手杖、 機(jī)器人假假肢等。本文研究的是上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，主要用來幫助上肢有運(yùn)動功能障礙的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美國家得到了機(jī)器人研究者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來取得了一些有價值的成果。
康復(fù)機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)工程的結(jié)合。首次嘗試將服務(wù)于殘疾人的機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)品化是在20世紀(jì)的60年代到70年代。實(shí)踐證明這些嘗試都不太成功，這主要有2個方面原因：其一是設(shè)計的不理想，尤其是人機(jī)接口；其二是因?yàn)閱蝺r太高導(dǎo)致了康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品化的失敗。20世紀(jì)80年代是康復(fù)機(jī)器人研究的起步階段，美國、英國和加拿大在康復(fù)機(jī)器人方面的研究處于世界的領(lǐng)先地位。1990年以前全球的56個研究中心分布在5個工業(yè)區(qū)內(nèi)：北美、英聯(lián)邦、歐洲大陸和斯堪的納維亞半島及日本。1990年以后康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)入到全面發(fā)展時期。
1991年，MIT設(shè)計完成了第一臺上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)MIT-MANUS，該設(shè)備采用五連桿機(jī)構(gòu)，末端阻抗較小，利用阻抗控制實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練的安全性、穩(wěn)定性和平順性，用于病人的肩、肘運(yùn)動。MANUS具有輔助或阻礙手臂的平面運(yùn)動功能，可以精確測量手臂的平面運(yùn)動參數(shù)，并通過計算機(jī)界面為患者提供視覺反饋，在臨床應(yīng)用中取得了很好的效果。在此基礎(chǔ)上，他們又研制了用丁手腕部康復(fù)的機(jī)械設(shè)備，可以提供三個旋轉(zhuǎn)自由度，并進(jìn)行了初步的臨床試驗(yàn)。MIT-MANUS在結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)計方面考慮了安全性、穩(wěn)定性以及患者近距離物理接觸的柔順性。圖1-1為MIT-MANUS系統(tǒng)，圖1-2為安裝在輪椅上的MIT-MANUS。
圖1-1 MIT-MANUS系統(tǒng) 圖1-2安裝在輪椅上的MIT-MANUS
另一個典型的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)是MIME(mirror-image motion enabler)，如圖1-3所示。該設(shè)備包括左右兩個可移動的手臂支撐．由工業(yè)機(jī)器人PIMA-560操縱患者手臂，為息者提供驅(qū)動力，既可以提供平面運(yùn)動訓(xùn)練，也可以帶動肘和肩膀進(jìn)行三維運(yùn)動。但是PUMA-560本質(zhì)上是工業(yè)機(jī)器人。因而從機(jī)械的角度上說不具有反向可驅(qū)動性以及結(jié)構(gòu)上與人的上肢不完全匹配，該系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用有其局限性。
圖1-3 鏡像運(yùn)動機(jī)器人MIME
1993年美國的Lum等人研制了一種稱作手—物體一手的系統(tǒng)(hand-object-hand system)，嘗試對一只手功能受損的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。這種雙手物理治療輔助機(jī)器包括兩個置于桌面上、可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的夾板狀手柄，其中一個手柄下端連接在驅(qū)動電機(jī)上，電機(jī)可以輔助患者完成動作(如圖1-4所示）。該機(jī)器主要幫助完成兩個任務(wù)動作的訓(xùn)練：雙手移動和雙手?jǐn)D壓。雙手移動任務(wù)要求兩手夾持某一物體作前后往返運(yùn)動，擠壓運(yùn)動要求在物體上產(chǎn)生需要的抓取力。為限制自由度數(shù)目，患者雙手要放置在剛性手柄上，以阻止手腕屈伸。
圖1-4 手-物體-手系統(tǒng)
1999年，Reinkensmeyer等研制了輔助和測量向?qū)鰽RM--Guide，用來測定患者上肢的活動空間。2000年他們對該裝置進(jìn)行改進(jìn)，用來輔助治療和測量腦損傷患者上肢運(yùn)動功能，如圖1-5所示。該設(shè)備為單電機(jī)驅(qū)動的二自由度裝置，包括一個直線軌道，其俯仰角和水平面的傾斜角可以調(diào)整。試驗(yàn)中患者手臂縛在夾板上，沿直線軌道運(yùn)動，傳感器可以記錄患者前臂所產(chǎn)生的力。但是這種設(shè)備訓(xùn)練方式單一，無法進(jìn)行更深的研究。
圖1-5 輔助康復(fù)和測量向?qū)鰽RM-Guide
2005年，瑞士蘇黎世大的Tobias Nef等開發(fā)了一種新型的上肢康復(fù)機(jī)器ARMin，如圖1-6所示。它是一種6自由度半外骨架裝置，安裝有傳感器及6維力／力矩傳感器，能夠進(jìn)行肘部屆伸和肩膀的空間運(yùn)動，用于臨床訓(xùn)練上肢損傷患者日程生活中的話動。
圖1-6 ARMin康復(fù)機(jī)器人
此外關(guān)于上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的報道還有：CPM機(jī)、REHAROB以及華盛頓大學(xué)設(shè)計的7DOF上肢外骨架裝置等。其中，CPM機(jī)是利用康復(fù)醫(yī)學(xué)中連續(xù)被動運(yùn)動(Continuous Passive Motion/CPM)的基本原理對受傷肢體進(jìn)行康復(fù)治療的機(jī)械裝置，是目前為止一個機(jī)器人生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用的例證。由于受技術(shù)水平的限制，CPM機(jī)長期停留在“大關(guān)節(jié)”康復(fù)的范圍內(nèi)。目前，市場上已經(jīng)有了用于腕關(guān)節(jié)和手指關(guān)節(jié)這樣的“小關(guān)節(jié)”康復(fù)的CPM機(jī)（圖1-7 Rolyan公司的手關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)CPM 機(jī)），但他們還不能像“大關(guān)節(jié)”CPM機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)精確的控制，不能對手指抓握等精巧動作進(jìn)行訓(xùn)練，治療的效果還有待提高。
圖1-7 Rolyan公司的CPM機(jī)
近年來．隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在歐洲、美國和日本等國家，行行色色的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人,如手臂訓(xùn)練機(jī)器人、踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練機(jī)器人等，以其經(jīng)濟(jì)的價格，簡易的操作以及適宜的病情反饋與康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)得到了醫(yī)學(xué)專家與病人的肯定。
1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)在該領(lǐng)域進(jìn)行研究的主要有清華大學(xué)、東南大學(xué)、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。其中，上海交通大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)合作展開了“神經(jīng)的運(yùn)動控制與控制信息源的研究”。其研究目的是提取神經(jīng)信息，利用神經(jīng)信息來控制電子假手。目前，七個自由度假手模擬裝置已設(shè)計完成，神經(jīng)信息的提取正在進(jìn)行動物試驗(yàn)，信息的整合與控制電路的設(shè)計進(jìn)展順利。其原理是借助儀器，通過意識控制動作的反復(fù)訓(xùn)練，伴隨信息轉(zhuǎn)化、生物反饋、生物控制和功能訓(xùn)練過程，不斷調(diào)節(jié)和增強(qiáng)腦的指令，從而提高中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌肉系統(tǒng)的支配和控制能力，消除控制機(jī)能障礙和運(yùn)動障礙，改善直至恢復(fù)機(jī)能狀態(tài)。清華大學(xué)在國家“863”計劃支持下，從2000年起即開展了機(jī)器人輔助神經(jīng)康復(fù)的研究，研制了兩款上肢復(fù)合運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)，他們都可以在平面內(nèi)進(jìn)行兩個自由度的運(yùn)行訓(xùn)練，如圖1-8示。
圖1-8 上肢復(fù)合運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)（清華大學(xué)研制）
東南大學(xué)從2004年起也開展了康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的研究，并設(shè)計了一套上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)(圖1-9)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。此系統(tǒng)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)被動、主動和帶阻尼主動三種鍛煉模式和一對多的訓(xùn)練模式，并為了能眵為治療醫(yī)師提供客觀的病人康復(fù)信息，系統(tǒng)還建立了患者信息數(shù)據(jù)庫。同時，為了吸引患者更積極的參與訓(xùn)練，系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計了不同難易程度的多套游戲系統(tǒng)．界面如圖1-11所示。
圖1-9 康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行圖（東南大學(xué)研制）
圖1-10 單自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（東南大學(xué)研制）
圖1-11 三個不同難度的程序界面
1.3目前存在的問題
目前康復(fù)機(jī)器人偏癱治療的研究仍然處于起步階段．臨床應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)。應(yīng)用于偏癱康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人還存在如下問題：
（1）患者訓(xùn)練動作種類相對較少且僅限于重復(fù)某些單一的動作，患者肢體的活動范圍主要限于訓(xùn)練身體正前方，運(yùn)動幅度比較小，不能以大范圍活動關(guān)節(jié)和較多關(guān)節(jié)的復(fù)雜活動為目標(biāo)，不能夠充分提供中樞神經(jīng)康復(fù)所需的運(yùn)動刺激。
（2）一般僅限于水平面運(yùn)動(MIME可以訓(xùn)練一些三維運(yùn)動)，不能進(jìn)行三維或更多維的運(yùn)動訓(xùn)練：僅限于某些關(guān)節(jié)、肌肉群或局部神經(jīng)系統(tǒng)的康復(fù)；
（3）研究的目標(biāo)主要在于探索機(jī)器人能否應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練中，以及這種訓(xùn)練方式有無治療效果，而對于如何提高康復(fù)訓(xùn)練的效果的研究井不深入。
（4）機(jī)器人輔助治療過程的機(jī)制有待深入研究。
（5）機(jī)器人的適用面不夠廣泛。此適用面包括不同的患者的適用；同一患者不同的恢復(fù)時期的適用；患者需不同鍛煉模式(如患者的主動或被動鍛煉等模式)的適用；在患者肌肉出現(xiàn)痙攣時(此時患肢可能出現(xiàn)較大的阻力或其他干擾)，如何緩解痙攣和使康復(fù)效果繼續(xù)維持現(xiàn)有的較好的水平，等等方面的適用性。
因此，上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用研究將集中在以下幾個方面：
第一康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計：機(jī)械結(jié)構(gòu)是康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，應(yīng)盡量簡潔輕巧，具有一定的靈活性，提高訓(xùn)練動作的種類，增大動作幅度，在三維空間內(nèi)對患肢各個關(guān)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練。
第二控制策略與運(yùn)動模式的設(shè)計：由于患者的病情千差萬別各不相同，因此，機(jī)器人要感知患肢狀態(tài)并采取相應(yīng)的訓(xùn)練模式和控制策略，在控制系統(tǒng)適應(yīng)性和穩(wěn)定性、傳感器技術(shù)應(yīng)用、系統(tǒng)辨識和控制算法設(shè)計等方面需要作更深入的研究。
第三力反饋：機(jī)器人應(yīng)該能夠?qū)崟r檢測患者與機(jī)器人之間的相互作用力，在患者主動能力不足時提供更人的輔助，而在患者有能力完成動作時，適當(dāng)減小輔助甚至施加阻力，以便充分發(fā)揮患者殘存的功能。
第四安全機(jī)制：安全問題是康復(fù)機(jī)器人設(shè)計過程的一個重要方面，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人必須根據(jù)臨床康復(fù)訓(xùn)練的基本動作和安全機(jī)制的要求，在設(shè)計中除了考慮機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)外，還要防止患肢二次損傷，必須從機(jī)構(gòu)設(shè)計(硬件)和控制系統(tǒng)(軟件)兩個方面保證康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的安全性。
第五康復(fù)效果的評價機(jī)制：與肌電信號檢測相結(jié)合，探索訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系，提高訓(xùn)練效果。在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)臨床康復(fù)的初步規(guī)律，建立客觀、精確的康復(fù)評估方法。
第六多路復(fù)用：發(fā)展“多路復(fù)用”的網(wǎng)絡(luò)康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，提高資源利用率。
1.4 課程的研究意義
據(jù)統(tǒng)計，我國腦卒中的發(fā)病率是歐美發(fā)達(dá)國家的4-5倍，是日本的3倍，加之腦外傷等疾病而導(dǎo)致我國肢體癱瘓患者數(shù)量顯著增加，其中大多數(shù)患者生活無法自理，這不僅造成了患者生理和心理上的巨大壓力，還給患者家庭帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。與此同時，我國同許多其他國家一樣，正在步入老齡化社會，據(jù)統(tǒng)計，我國60歲以上老年人人口占全國人口的10%以上。并伴隨機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展以及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，機(jī)器人已經(jīng)被應(yīng)用于日程生活的許多方面?？祻?fù)機(jī)器人是在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生的一個新的研究領(lǐng)域，它的研究貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域，并已經(jīng)成為了國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。
在老齡化過程中，最明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降，進(jìn)而對日常的生活產(chǎn)生影響。此外，由于多種疾病而引起的肢體運(yùn)動性障礙的病人人數(shù)也在增加。與之相對的是，通過人工簡單或簡單的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行的康復(fù)訓(xùn)練已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足患者的要求。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這個特殊的群體已經(jīng)等到越來越多人的關(guān)注，治療、康復(fù)和服務(wù)于他們的產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量也在逐步提高。因此，康復(fù)設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。
二、研究內(nèi)容
課題所研究的康復(fù)機(jī)器人屬于主動型康復(fù)機(jī)器人，它能夠?qū)崿F(xiàn)空間三自由度的靈活移動，彼此互不干涉，使患者的上肢結(jié)構(gòu)能夠在安全的活動范圍內(nèi)得到充分鍛煉。本論文的內(nèi)容具體如下：
（1） 運(yùn)動康復(fù)治療理論基礎(chǔ)
研究腦卒中后偏癱的發(fā)病原因、特征及康復(fù)理論，同時了解目前康復(fù)治療常用的技術(shù)和方法，從醫(yī)學(xué)角度提出對康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計要求。
（2） 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過總結(jié)學(xué)習(xí)目前已經(jīng)設(shè)計成型的康復(fù)機(jī)器人，對它們的有且點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合人體工程學(xué)原理，確定課程所要設(shè)計的機(jī)器人，具體包括系統(tǒng)構(gòu)成、各模塊設(shè)計、構(gòu)件選型及工作原理等。
（3） 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析
學(xué)習(xí)機(jī)器人位置運(yùn)動學(xué)相關(guān)知識，分析課題所設(shè)計機(jī)器人在空間直角坐標(biāo)系下的運(yùn)動學(xué)，對系統(tǒng)進(jìn)行建模，完成運(yùn)動學(xué)分析。
（4） 機(jī)器人動力學(xué)分析
用電腦軟件對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析其末端力或力矩與各關(guān)節(jié)速度、加速度之間的關(guān)系，為機(jī)器人后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計，仿真奠定理論基礎(chǔ)。
（5） 機(jī)器人仿真
用計算機(jī)軟件對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，得到運(yùn)動軌跡、關(guān)節(jié)位移、關(guān)節(jié)速度和加速度等變化曲線，同時完成運(yùn)動學(xué)理論分析結(jié)果的驗(yàn)證，為以后進(jìn)一步研究做準(zhǔn)備。
三、研究設(shè)計方案
康復(fù)機(jī)器人是代替醫(yī)師幫助患者進(jìn)行訓(xùn)練的設(shè)備，不同于普通的工業(yè)機(jī)器人，為了保證康復(fù)訓(xùn)練的安全性和有效性，需要對其設(shè)計提出一定要求。
3.1 人體上肢結(jié)構(gòu)與運(yùn)動學(xué)分析
在設(shè)計康復(fù)機(jī)器人時要符合人機(jī)工程學(xué)原理，保證患者運(yùn)動的絕對安全，對于機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計就要從人體上肢解刨學(xué)出發(fā)，了解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為設(shè)計提供必要的參考數(shù)據(jù)，使它能夠最大限度的符合人體工程學(xué)和運(yùn)動原理。
3.1.1 人體上肢結(jié)構(gòu)
人體的上置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，是由肩骨、上臂骨、前臂骨、手骨等骨骼和肩部及胸部肌肉群、肱二頭肌、肱三頭肌、內(nèi)屈肌肉群等肌肉組織以及骨骼之間連接的韌帶、肌腱、起保護(hù)作用的軟組織和皮膚共同組成，如圖3-1所示。
3.1.2 人體上肢運(yùn)動
由于人體上肢結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和運(yùn)動的特殊性，想要建立一個理想的、準(zhǔn)確的、適用于各種情況的上肢運(yùn)動模型是很困難的，因此本文從實(shí)用的角度出發(fā)對人體上肢運(yùn)動進(jìn)行分析。
人體上肢包括手部、腕關(guān)節(jié)、小臂、肘關(guān)節(jié)、大臂和肩關(guān)節(jié)。肩關(guān)節(jié)將身體和大臂鏈接在一起，肘關(guān)節(jié)將大臂和小臂連接在一起，而腕關(guān)節(jié)將小臂和手部連接在一起。手部的自由度較多，且運(yùn)動復(fù)雜，在本文里我們不作考慮?，F(xiàn)實(shí)日常生活運(yùn)動人體上肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動有：肩關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外擺、大臂的內(nèi)旋外旋、肘關(guān)節(jié)的屈伸、小臂的內(nèi)旋外旋、腕關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外擺等七個自由度，因此對人體上肢的運(yùn)動進(jìn)行研究，建立的運(yùn)動模型通常具有七個自由度。人體上肢運(yùn)動模型簡圖如圖3-2所示。
圖3-1 上肢結(jié)構(gòu) 圖3-2人體上肢運(yùn)動模型簡圖
由于每增加一個自由度都會是康復(fù)機(jī)器人的復(fù)雜程度成倍提高，也造成生產(chǎn)成本的增加，因此，我們結(jié)合實(shí)際需要，對七個自由度進(jìn)行合理取舍，保留肩關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外擺和肘關(guān)節(jié)的屈伸這三個自由度。
3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計結(jié)構(gòu)需要保證具有兩到三個自由度，牽引患肢能夠完成多關(guān)節(jié)大范圍的復(fù)合運(yùn)動，同時應(yīng)在運(yùn)動空間上與人體上肢保持一致，避免在運(yùn)動過程中發(fā)生干涉。康復(fù)機(jī)器人一般包括末端牽引式和外骨骼式兩種，在設(shè)計上兩者特點(diǎn)如下。
（1） 末端牽引式康復(fù)機(jī)器人的作用點(diǎn)一般在手腕或者用手握住，在設(shè)計時必須保證能夠平衡患肢重量，為患者所用?；颊叨急容^虛弱，不能自主支撐，需增加支撐機(jī)構(gòu)來滿足要求。目前，臨床上一般是通過醫(yī)師拖住患肢肘關(guān)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練，因此，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)以肘關(guān)節(jié)為主。在訓(xùn)練過程中為了刺激患者中樞神經(jīng)，發(fā)揮他的參與功能，提倡盡量讓患者自主支撐，讓患者能夠在最小的支撐力作用下完成康復(fù)訓(xùn)練。
（2） 外骨骼式康復(fù)機(jī)器人，它的設(shè)計必須能夠與人體上肢結(jié)構(gòu)吻合，和患者肢體相一致，此外對于材料有較高的要求，密度小，質(zhì)量輕，以避免對患者造成二次傷害。設(shè)計時應(yīng)該具有多個自由度，滿足患者各個部位的訓(xùn)練需要，同時增強(qiáng)外界刺激，提高患者對肌肉的控制能力和協(xié)調(diào)能力。在尺寸方面應(yīng)盡量滿足人體工程學(xué)，可以適當(dāng)調(diào)整臂長，滿足不同患者對結(jié)構(gòu)的要求。
3.2 傳動方式設(shè)計
在國內(nèi)外現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人中比較常見的傳動方式有直接驅(qū)動設(shè)計，同步帶傳動設(shè)計，齒輪結(jié)構(gòu)傳動設(shè)計，氣動肌肉傳動設(shè)計等傳動方式。同步帶傳動設(shè)計，各自由度的驅(qū)動電機(jī)通過帶傳動實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動，帶傳動可降低機(jī)器人手臂的自重，但帶傳動的柔性會影響到傳動精度。齒輪結(jié)構(gòu)傳動，交錯斜齒輪或錐齒輪可使電機(jī)安放方向任意變動，減少機(jī)構(gòu)之間的相互干涉，但如果傳動比過大，則兩齒輪會因尺寸相差太大而不便安裝，傳動比過小則與直驅(qū)方式無異。
3.2 初步設(shè)計預(yù)想
（1）自由度設(shè)計
由于每增加一個自由度都會是康復(fù)機(jī)器人的復(fù)雜程度成倍提高，也造成生產(chǎn)成本的增加，因此，我們結(jié)合實(shí)際需要，對七個自由度進(jìn)行合理取舍，保留肩關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外擺和肘關(guān)節(jié)的屈伸這三個自由度。如圖3-3、3-4所示。
圖3-3三自由度上肢運(yùn)動模型簡圖
圖3-4動作分解圖
在正常的情況下，人體上肢肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的活動范圍如表3-1 所示。
表3-1正常情況下人體上肢關(guān)節(jié)活動范圍
屈
伸
外擺
內(nèi)收
內(nèi)旋
外旋
肩關(guān)節(jié)
0~45
0~170
0~180
0~30
0~95
0~85
肘關(guān)節(jié)
0~154
0~5
/
/
0~90
0~90
本文在康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人設(shè)計時，將肩關(guān)節(jié)的活動限制在屈 0~30 ，伸 0~90 ，外擺 0~60 ，內(nèi)收 0 范圍內(nèi)；將肘關(guān)節(jié)的活動限制在屈 0~150 ，伸 0 范圍內(nèi)。進(jìn)行這樣的限制后，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人能夠保證患者在康復(fù)訓(xùn)練時上肢的動作幅度不會太大，可避免意外發(fā)生，提高機(jī)器人的安全性。最終本設(shè)計中人體上肢關(guān)節(jié)的活動范圍如表3-2所示。
表3-2本設(shè)計中人體上肢關(guān)節(jié)活動范圍
屈
伸
外擺
內(nèi)收
內(nèi)旋
外旋
肩關(guān)節(jié)
0~30
0~90
0~60
0
0
0
肘關(guān)節(jié)
0~150
0
/
/
0
0
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計
本設(shè)計采用外骨骼式康復(fù)機(jī)器人，與人體上肢結(jié)構(gòu)吻合。對于材料有較高的要求，密度小，質(zhì)量輕。設(shè)計時應(yīng)該具有多個自由度，滿足患者各個部位的訓(xùn)練需要，同時增強(qiáng)外界刺激，提高患者對肌肉的控制能力和協(xié)調(diào)能力。在尺寸方面應(yīng)盡量滿足人體工程學(xué)，可以適當(dāng)調(diào)整臂長，滿足不同患者對結(jié)構(gòu)的要求。機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖3-4所示。
圖3-4
四、對進(jìn)度的具體安排
第1 周，領(lǐng)取任務(wù)書，開始文獻(xiàn)調(diào)研；
第2 周，完成文獻(xiàn)調(diào)研，開始英文翻譯；
第4 周，完成開題報告，完成英文翻譯；
第7 周，完成設(shè)計計算和強(qiáng)度校核計算，繪制結(jié)構(gòu)草圖；
第8 周，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成裝配草圖繪制；
第 10周，完成零部件尺寸設(shè)計，零件圖繪制；
第12周，完成論文初稿，完成裝配圖繪制；
第14周，完成論文最后修改和圖紙修改，提交論文最終稿；
第15周，打印論文，準(zhǔn)備答辯；
第16周，完成論文評閱，組織答辯，進(jìn)行成績評定。
五、參考文獻(xiàn)
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指導(dǎo)老師： 年 月 日
監(jiān)督老師： 年 月 日
領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見：
審查人簽字： 年 月 日
課題：上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計
學(xué)生姓名 XXXXXX
學(xué) 號 XXXXXX
所在學(xué)院 XXXXXX
專 業(yè) XXXXXX
班 級 XXXXXX
指導(dǎo)教師 XXXXXX
摘要
外骨骼系統(tǒng)由多個與人體關(guān)節(jié)相似的關(guān)節(jié)組成的機(jī)械系統(tǒng)，通過與人體相連接而發(fā)揮功能，屬于機(jī)器人的范疇，對其進(jìn)行的研究活動就屬于機(jī)器人研究領(lǐng)域分支。該系統(tǒng)能有效幫助身患?xì)埣策\(yùn)動不便的人恢復(fù)運(yùn)動能力，因?yàn)榛颊呤褂貌僮髟撓到y(tǒng)，與身體之間能傳遞體力，一定程度上可以增強(qiáng)運(yùn)動能力。
筆者在文中對人體上肢運(yùn)動進(jìn)行了全面的分析，主要是從實(shí)用性方面來進(jìn)行的。筆者運(yùn)用專業(yè)知識設(shè)計了一款可以依附于人體的上肢機(jī)器人，它能實(shí)現(xiàn)自由的轉(zhuǎn)動，非常符合身體上肢的運(yùn)動需求，便于人體的穿戴。通過深入分析可知，在設(shè)計該款機(jī)器人的時候，使用了D-H方法，它屬于連桿坐標(biāo)系里的。依次為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了該款機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系圖，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計了機(jī)器人運(yùn)動模型。除此之外，還對機(jī)器人運(yùn)動的正逆問題進(jìn)行了分析，推導(dǎo)除了的雅可比矩陣。當(dāng)計算出機(jī)器人速率的前提下，使用該矩陣就能推算出它的尾端運(yùn)動水平。機(jī)器人的工作空間受到連桿長度以及空間尺寸的影響，得出該結(jié)論，使用過使用圖解法對其空間進(jìn)行分析做出的。一般情況下，設(shè)計人員都是利用proe設(shè)計軟件，來創(chuàng)建機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。為了獲取它的運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)，設(shè)計者會進(jìn)行仿真練習(xí)。除此之外，筆者還深入研究了機(jī)器人不同關(guān)節(jié)的相關(guān)信息，以此為基礎(chǔ)，繪制了關(guān)節(jié)的位置以及運(yùn)動速度曲線。所有的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析，都是從理論上證明了該系統(tǒng)的科學(xué)性，為之后的專業(yè)性研究奠定了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：proe 、康復(fù)設(shè)備、可穿戴式機(jī)器人、運(yùn)動學(xué)分析
Ⅱ
Abstract
Exoskeleton system is composed of a plurality of human joints and similar joints consisting of a mechanical system by connecting with the human body to function, belongs to the category of the robot, its research activities belong to the field of robotics research branch. The system can effectively help people with reduced mobility disability exercise recovery exercise capacity, because patients with the operation of the system, between the body and can pass the physical, can enhance athletic ability to a certain extent.
The author in the text of the upper limb movement conducted a comprehensive analysis, mainly from the practical aspects carried out. I use our expertise to design a robot can be attached to the body of the upper limb, it can achieve a free rotation, it is consistent with the needs of the body movement of the upper limbs, to facilitate the body's wear. Through in-depth analysis, which in the design of the robot when using D-H method, which belongs to the coordinate system of the link. Followed by the foundation, which created a robot coordinate system link diagram, and on this basis, the design of the robot motion model.In addition, further positive movement robot inverse problem is analyzed, in addition to the derivation of Jacobian matrix. When the robot is calculated under the premise of the rate of use of the matrix will be able to figure out it's the end of the horizontal movement. Robot workspace is affected by the length of the connecting rod and spatial dimensions of that conclusion, using a graphical method used to analyze the spatial made. In general, designers are utilizing proe design software to create a robot structure model. In order to obtain data on its trajectory, the designer will conduct simulation exercises. In addition, we also deeply studied the different joints of the robot-related information as a basis to draw the position and velocity profile joints. All data collection and data analysis are theoretically proved that the scientific system, laid the theoretical foundation for the professional study later.
Key words：proe、Rehabilitation equipment、 Wearable exoskeleton、 Kinematics analysis;
Ⅲ
目 錄
摘要 2
ABSTRACT 3
緒論 5
1.1研究背景與意義 5
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 6
1.2.1國外發(fā)展概況 7
1.2.1國外發(fā)展概況 9
1.2.3存在的問題 11
1.3主要研究內(nèi)容 12
第2章機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 13
2.1機(jī)器人的設(shè)計要求及原理 13
2.1.1人體上肢運(yùn)動分析 13
2.1.2機(jī)器人設(shè)計原理 14
2.2機(jī)械人總體方案的設(shè)計 15
2.3 機(jī)器人驅(qū)動方案設(shè)計 17
2.3.1 驅(qū)動方式的選擇 17
2.3.2驅(qū)動方案的設(shè)計 17
2.4機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu) 21
2.5 本章小結(jié) 22
第3章機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析 23
3.1 機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)正分析 23
3.1.1連桿坐標(biāo)系及連桿參數(shù)的確定 23
3.1.2連桿變換和運(yùn)動學(xué)方程 25
3.2機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)逆分析 27
3.4本章小結(jié) 30
第4章運(yùn)動空間分析 31
4.1 工作空間的確定方法 31
4.2關(guān)節(jié)桿長對工作空間的影響 33
4.3本章小結(jié) 35
第5章總論與展望 36
5.1總結(jié) 36
5.2 展望 37
5.2.1機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的展望 37
5.2.2控制創(chuàng)新的展望 37
致謝 39
參考文獻(xiàn) 40
緒論
1.1研究背景與意義
最近幾年，電子技術(shù)發(fā)展迅速，通過與結(jié)構(gòu)學(xué)的相結(jié)合，研制出了機(jī)器人，成為現(xiàn)代科技的重要標(biāo)志，在機(jī)電科學(xué)領(lǐng)域?qū)儆诟叨丝蒲谐晒??？茖W(xué)家為了研制出機(jī)器人，綜合運(yùn)用了電子信息、自動化以及機(jī)械設(shè)計等各個專業(yè)研究領(lǐng)域的現(xiàn)金研究成果?，F(xiàn)如今，專用于醫(yī)學(xué)方面的機(jī)器人技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，這主要得益于與之相關(guān)的工程機(jī)械學(xué)、生物技術(shù)、電子信息技術(shù)、電腦職能技術(shù)以及其他與之相關(guān)的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識研究成果層出不窮，這些學(xué)科專業(yè)知識的發(fā)展，有力的推動了醫(yī)療專用機(jī)器人設(shè)備的發(fā)展。為了在醫(yī)療診斷和患者康復(fù)方面，工作水平有進(jìn)一步的提高，科學(xué)家通過對不同學(xué)科最新研究成果的研究和分析，設(shè)計了機(jī)器人。最為常見的就是輔助病人身體康復(fù)的機(jī)器人，這類機(jī)器人的主要功能是幫助病人恢復(fù)運(yùn)動功能，對傷害的肢體進(jìn)行矯正。醫(yī)用康復(fù)機(jī)器人分為兩類，最主要的、使用最廣泛的就是輔助機(jī)器人，它的主要使用者是年老體弱者或身有殘疾者，能充當(dāng)肢體發(fā)揮部分運(yùn)動功能，從而能基本應(yīng)對平常的生活工作需要。
全球范圍內(nèi)，不少國家已經(jīng)步入老齡化社會，聯(lián)合國相關(guān)部分的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，再過不到五十年，全球的老年人數(shù)量會翻一番。除此之外，因各種人為和自然災(zāi)害產(chǎn)生的殘疾人數(shù)量也會激增，他們必須有專人服務(wù)，才能繼續(xù)生活下去?，F(xiàn)在所研制的醫(yī)用機(jī)器人，一方面能幫助他們應(yīng)對生活中面臨的困難，另一方面能讓他們重拾自尊，樹立繼續(xù)生活下去的自信心，保持良好的心態(tài)，面對生活工作中的一切艱難險阻。現(xiàn)如今，醫(yī)用機(jī)器人主要包括肢體矯形器、運(yùn)動假肢等四類的產(chǎn)品，將工學(xué)知識與醫(yī)學(xué)理論高度融合起來。醫(yī)學(xué)理論和工科知識相融合，研制出了肢體康復(fù)機(jī)器人。因?yàn)檠芯康臅r間不長，與上肢康復(fù)機(jī)器人相比，技術(shù)還不是很成熟，產(chǎn)品種類也不多，只能在人體的部分關(guān)節(jié)使用，幫助手腕等關(guān)節(jié)恢復(fù)健康。另外，因?yàn)樗仟?dú)立制作的，與人體手臂關(guān)節(jié)的配合度還不是很高，影響到了使用者的最佳體驗(yàn)。因?yàn)閲鴥?nèi)產(chǎn)品技術(shù)水平不高，為了滿足實(shí)際的應(yīng)用需要，我國從國外花高價購買了大量醫(yī)療輔助設(shè)備?？偠灾萍嫉陌l(fā)展日新月異，用于醫(yī)用輔助設(shè)備研究的技術(shù)發(fā)展迅速，很多專業(yè)組織機(jī)構(gòu)必然會加強(qiáng)該領(lǐng)域的研究，這就推動了醫(yī)用輔助設(shè)備國產(chǎn)化的發(fā)展趨勢。
外骨骼系統(tǒng)屬于機(jī)器人學(xué)的重要組成部分，它與我們理解的一般機(jī)器人有很大的不同。該輔助系統(tǒng)與人的身體關(guān)節(jié)有很大的相似性，在工作的時候會仿照人體運(yùn)動形態(tài)，在活動范圍上與人體也有極高的相似度。外骨骼與普通機(jī)器人很相像，對其概念的把握不是很容易。通常情況下，能附著于人體外面的，受制于人體的設(shè)備都屬于外骨骼的范疇。該系統(tǒng)的主要特性如下：使用該系統(tǒng)，患者的運(yùn)動能力大為提升，具備了能完成之前認(rèn)為不可能完成的工作；它的抗阻性不高，對于使用者的正常活動不會產(chǎn)生很大的影響；它的接口設(shè)計的非常合理，使用者在運(yùn)用的時候，會感覺輕松自如，使用體驗(yàn)上佳，能讓患者感覺與外骨骼是高度融合在一起的，而不是額外添加的一部分，實(shí)現(xiàn)了人體和外骨骼系統(tǒng)的有機(jī)統(tǒng)一；外骨骼使用壽命長,它具有足夠的使用持久性、耐久性,可以多次充電,快捷簡單易操作；外骨骼是使用很舒適的產(chǎn)品，它穿戴在使用者身上，給人一種很舒適、安全的感覺,而且使用很方便。綜上所述，在患者運(yùn)動能力康復(fù)過程中，外骨骼發(fā)揮的作用是巨大的。在該研究領(lǐng)域當(dāng)中，研究人員通過使用對其評估結(jié)果，對患者的運(yùn)動機(jī)能的提升方面的研究，已經(jīng)成為核心內(nèi)容。
課題的目的是設(shè)計一種上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人,通過可穿戴式外骨骼帶動患者的患肢運(yùn)動,模擬日常生活中的手臂運(yùn)動規(guī)律，實(shí)現(xiàn)手臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動，加大對肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)的鍛煉強(qiáng)度，確保該系統(tǒng)和人體的高度統(tǒng)一，從而達(dá)到最優(yōu)康復(fù)訓(xùn)練效果。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
從二十世紀(jì)六十年代開始，專家學(xué)者們就將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到了患者身體運(yùn)動機(jī)能，雖然取得一定的進(jìn)步，但是該類機(jī)器人只是發(fā)展緩慢。到20世界80年代后，隨著計算機(jī)飛速發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人的研究與開發(fā)開始得到絕大多數(shù)人的注意。直到步入 21 世界康復(fù)機(jī)器人走進(jìn)了發(fā)展的黃金時期，各種各樣的機(jī)器人如雨后春筍般出現(xiàn)，甚至一些機(jī)器人已經(jīng)形成產(chǎn)品化并用于臨床研究之中。
1.2.1國外發(fā)展概況
外國對機(jī)器人的研究開始比較早，從1991年開始，麻省理工學(xué)院設(shè)計MIT-MANUS上肢機(jī)器人系統(tǒng)，它屬于連桿類型的機(jī)器人，主要是對患者的肩膀和肘部進(jìn)行恢復(fù)性治療。一方面可以最大程度的降低操控方面的阻力，另一方面還能保障患者使用的安全。綜上所述，該系統(tǒng)在幫助患者恢復(fù)運(yùn)動能力方面具有顯著的作用。此外，該系統(tǒng)可以通過人機(jī)交互界面可以直接準(zhǔn)確測量患者手臂的平面運(yùn)動參數(shù)。
圖1-1
在瑞士蘇黎世大學(xué) Nef 等人的不懈的努力研究下，于2005年成功研制了一套坐式名為 ARMin 的外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)備，如圖 1-2所示。它是由輪椅進(jìn)行固定的，有六個節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行調(diào)整角度，可以實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動，肩關(guān)節(jié)的 3 個自由度以及腕部的屈伸運(yùn)動?；颊呖梢愿鶕?jù)自己的需求，運(yùn)用操控系統(tǒng)設(shè)置符合現(xiàn)狀的運(yùn)動方式。為了檢測患者康復(fù)運(yùn)動的狀態(tài)，我們在機(jī)器人各關(guān)節(jié)處安裝了位置傳感器和力傳感器，以此來提高保證訓(xùn)練的安全性。除此之外，機(jī)器人還可以根據(jù)患者的上肢尺寸進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。
（a）第一代 （b）第二代
圖 1-2
2006 年，華盛頓大學(xué)的 C.Perry 等人研制了一套名為 CADEN-7 的七自由度的外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，如圖 1-3所示。該機(jī)器人采用電機(jī)控制，控制肘部和腕部的滑輪和線纜組成的傳動機(jī)構(gòu)完成規(guī)定的康復(fù)訓(xùn)練要求，同時該機(jī)器人系統(tǒng)大量結(jié)合了正常人肢體日常所需的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，動力學(xué)參數(shù)，工作空間，關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍等，并且符合人體工學(xué)的設(shè)計要求。
圖1-3
1.2.1國外發(fā)展概況
相對于國外已經(jīng)較為成熟的外骨骼式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)，我國在該領(lǐng)域的研究開始的晚，研究水平不高，形成產(chǎn)品化的機(jī)器人少之又少。隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)開始重視外骨骼式康復(fù)機(jī)器人的研究，所取得的研究成果也非常多，并逐步縮小與發(fā)達(dá)國家之間的距離。2007 年，清華大學(xué)的王東巖教授，經(jīng)過多年的試驗(yàn)研究，設(shè)計出了立式外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動方式，可以實(shí)現(xiàn)肩部的伸屈、外展內(nèi)收，肘部的伸屈，在患者通過使用它，可以完成相對簡單的肢體動作。
圖1-4
2011 年，華中科技大學(xué)吳軍等人研制了一種基于氣動肌肉的雙向?qū)?qū)動方式的外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人，如圖 1-5所示。該機(jī)器人通過氣動方式可以實(shí)現(xiàn)患者肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動和伸屈，以及肘關(guān)節(jié)的伸屈。在采用氣動肌肉的方式可以增加機(jī)器人的柔順性，減少剛性結(jié)構(gòu)對患者的損傷，并且可以使康復(fù)訓(xùn)練滿足日常生活的訓(xùn)練強(qiáng)度。
圖1-5
2011 年,上海交通大學(xué)和 CAD 模具聯(lián)合中心共同開發(fā)設(shè)計的外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人如圖 1-10所示。該機(jī)器人在機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計上設(shè)計了 7個自由度，可以實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的三個自由度，肘關(guān)節(jié)兩個自由度以及腕關(guān)節(jié)兩個自由度。機(jī)器人安裝在一個座椅上，并通過可調(diào)節(jié)裝置更好滿足患者的訓(xùn)練要求。除此之外，該機(jī)器人還提供了重力補(bǔ)償功能，以提高訓(xùn)練的安全性。
圖1-10
1.2.3存在的問題
在上文中提到的外骨骼系統(tǒng)，不僅在國內(nèi)外都處于該領(lǐng)域的領(lǐng)先位置,而且有的已經(jīng)應(yīng)用于臨床的康復(fù)治療之中,甚至已經(jīng)產(chǎn)品化了投向市場了。但是，通過上述的分析，他們?nèi)匀淮嬖谥恍﹩栴}：
（1）現(xiàn)有的機(jī)器人大多數(shù)將上肢結(jié)構(gòu)和手指結(jié)構(gòu)分開進(jìn)行設(shè)計，只是針對部分關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，沒有考慮到整個上肢的訓(xùn)練要求。手是人體比較精細(xì)的機(jī)構(gòu)，微小空間內(nèi)神經(jīng)與血管相互交錯，小型肌肉群遍布全手，這使得手指損傷的治療比較困難，要求比較高，且治療過程和康復(fù)周期時間相對較長。通常情況下，上肢偏癱患者運(yùn)動功能恢復(fù)是從肩部開始，手指是往往是最后恢復(fù)的。因此，在醫(yī)學(xué)界，一些醫(yī)院將手指的運(yùn)動功能恢復(fù)情況作為上肢康復(fù)情況的標(biāo)準(zhǔn)。所以在機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮將上肢與手指進(jìn)行結(jié)合。
（2）通過上述機(jī)器人可以看到，大多數(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較龐大，不具有便攜性，而且患者在家中不便于進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這對患者的康復(fù)也會起到一些負(fù)面作用。一些機(jī)器人將執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)分開，不僅增大了系統(tǒng)體積，而且降低了機(jī)器人的集成度。除此之外，機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這導(dǎo)致機(jī)器人不具有輕便性，患者穿戴在身上還要克服較大的機(jī)構(gòu)重量，這降低了康復(fù)訓(xùn)練的安全性。
（3）大多數(shù)機(jī)器人沒有將人體的生理信號與控制信號進(jìn)行結(jié)合，除了采用了表面肌電信號，應(yīng)該還要對患者腦電信號進(jìn)行分析。因?yàn)橹酗L(fēng)主要來自于腦神經(jīng)的受損，對腦電信號的分析有助于評價患者的康復(fù)情況和執(zhí)行高效的康復(fù)訓(xùn)練。采用腦電信號和表面肌電信號結(jié)合的辦法可以指定一套科學(xué)的康復(fù)評價體系。
（4）在機(jī)器人的設(shè)計和運(yùn)動時，沒有考慮到機(jī)器人對患者的力學(xué)影響，這使得機(jī)器人在執(zhí)行運(yùn)動時容易對患者的關(guān)節(jié)進(jìn)行二次損傷，不利于患者的康復(fù)。
（5）大多數(shù)機(jī)器人沒有將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入系統(tǒng)之中，降低了康復(fù)訓(xùn)練的趣味性，容易使患者產(chǎn)生心理疲勞，降低其對于康復(fù)的積極性，影響康復(fù)的效果。
1.3主要研究內(nèi)容
手臂外骨骼康復(fù)系統(tǒng)是此次課題開發(fā)和研制的最終目的。使用該套系統(tǒng)，可以幫助患者實(shí)現(xiàn)各種角度的運(yùn)動，主要有頸部的旋轉(zhuǎn)、肘部的伸縮以及肩部的上下運(yùn)動。要查閱大量的專業(yè)性資料，并對機(jī)器人方面的專業(yè)知識有全面的了解，只有這樣才能熟悉機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀。通過借鑒國內(nèi)外專家學(xué)者在該領(lǐng)域的研究成果，筆者做了相應(yīng)的集成和創(chuàng)新發(fā)展。在下文中，要做的工作內(nèi)容如下：
1、機(jī)器人的總體方案設(shè)計
筆者在設(shè)計機(jī)器人的時候，對身體上肢運(yùn)動原理進(jìn)行了深入的研究，主要是適應(yīng)人體的舒適性。通過對人體的構(gòu)成要素和在穿戴方面的需要，對機(jī)器人的構(gòu)成部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)設(shè)計方法進(jìn)行改進(jìn)。
2、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析
我們首先建立了運(yùn)動學(xué)方程，通過運(yùn)動知識的正逆算法，經(jīng)過分析總結(jié)出機(jī)器人運(yùn)動屬性，最終設(shè)計它的雅可比矩陣。
3、工作空間分析
在對機(jī)器人正問題進(jìn)行分析并尋求解決之策的時候，用到的是圖解法，分析并總結(jié)出了它的活動區(qū)域和連接桿長度對機(jī)器人運(yùn)行區(qū)域會產(chǎn)生影響的答案。
第2章 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
這一章節(jié)的主要內(nèi)容是分析上肢的運(yùn)動原理，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出機(jī)器人和患者結(jié)合的特點(diǎn)，設(shè)計了全新的數(shù)據(jù)模型，在保證沒有很多較大活動角度的前提下，能最大程度的發(fā)揮機(jī)器人在患者上肢機(jī)能康復(fù)方面的作用。除此之外，還要對人體的結(jié)構(gòu)和穿戴性進(jìn)行深入分析，介紹機(jī)器人的構(gòu)造內(nèi)容和運(yùn)行方式。
2.1機(jī)器人的設(shè)計要求及原理
2.1.1人體上肢運(yùn)動分析
對人體上肢進(jìn)行測量的時候，所選用的標(biāo)準(zhǔn)要對每個患者的身體上肢尺寸相適應(yīng)，根據(jù)個人的身體的各部位尺寸的不同，來選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)。為了研究人們身體的特性，根據(jù)工業(yè)設(shè)計和工程設(shè)計對人體測量數(shù)據(jù)的要求，來進(jìn)行設(shè)計。從1989年7月開始，我國制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，來對身體進(jìn)行測量。標(biāo)準(zhǔn)包括7個內(nèi)容，人類的身體的大小的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進(jìn)行計算，中國成人男性（年齡18-60歲，女性18-55歲），身體的各要素數(shù)據(jù)不同，根據(jù)表2所示，作為人體尺寸的設(shè)計參考：
表2-1 人體主要參數(shù)表
我們通過對人體上肢的運(yùn)動作了充分的了解，從而設(shè)計出了能幫助殘疾人完成日常行為的人體幾肢康復(fù)系統(tǒng)。在當(dāng)前的環(huán)境中，所收集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性很高，能廣泛應(yīng)用于不同環(huán)境，是很有難度的。這主要是因?yàn)樯现顒屿`活，運(yùn)動性較高，與之相關(guān)的關(guān)節(jié)、神經(jīng)以及其他組織眾多，可以說是牽一發(fā)而動全身。所以，對其運(yùn)動方式的研究，只能運(yùn)用實(shí)用性的角度進(jìn)行。
圖2-1
人類的上肢主要是由肩關(guān)節(jié)、手臂、肘部、手腕和手組成的。肩關(guān)節(jié)連接了人體和上臂，前臂的肘關(guān)節(jié)臂上通過連接著手和手腕，前臂接頭通過它連接身體。手的自由度很大，運(yùn)動關(guān)系復(fù)雜，所以一般不在此進(jìn)行分析。除了人體手部活動之外，為了完成生活過程中的一些動作，需要關(guān)節(jié)活動主要有：肩關(guān)節(jié)的彎曲、擴(kuò)展、回內(nèi)、內(nèi)轉(zhuǎn)、外面擺放，肘部彎曲、伸展，前臂內(nèi)自旋、手關(guān)節(jié)彎曲伸展、內(nèi)轉(zhuǎn)等。在對人類身體的上肢進(jìn)行分析的時候，都會使用這些自由度創(chuàng)建模型，如下圖表示。
設(shè)計康復(fù)機(jī)器人的構(gòu)造非常困難，因?yàn)樗w小很輕。在制造這種錫系統(tǒng)的時候，要想提高一個自由度，設(shè)計和制造的機(jī)械的復(fù)雜性、難度和成本都是原來的兩倍。所以，在充分滿足患者實(shí)際需要的前提下，要盡量減少機(jī)器人的自由度，從而建立一個新的運(yùn)動模型。
2.1.2機(jī)器人設(shè)計原理
在本課題設(shè)計中，筆者只將肩部的兩個自由度和肘部的一個自由度考慮在內(nèi)，使用該機(jī)器人能幫助患者進(jìn)行上面三種類型的活動。使用本文研制的機(jī)器人，為滿足患者的生活實(shí)際需要，并確保安全穩(wěn)定，患者的肘關(guān)節(jié)伸展角度最大為154°，肩關(guān)節(jié)伸展的角度最大分別為60°和180°；內(nèi)外旋轉(zhuǎn)的最大角度分別是95°和80°。通常情況下，會將機(jī)器人肘關(guān)節(jié)的活動角度控制在120度之內(nèi)。
患者的受到機(jī)器人的控制，這是在結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中我們所充分考慮到的，患者的四肢的損傷非常容易的。所以我們，康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人可以不與患者有直接的肢體接觸，設(shè)計的時候，關(guān)肢上的大牽引力并沒有發(fā)生，四肢固定機(jī)構(gòu)支持患者使用構(gòu)造機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。為保證肢體的柔軟性，必須對機(jī)器人進(jìn)行全面的精細(xì)檢查，可以考慮的是外骨骼是與人體進(jìn)行高度的結(jié)合，從而產(chǎn)生運(yùn)動的定力，在活動的時候會產(chǎn)生自由度。正常狀態(tài)下，患者身體是受機(jī)器人帶動的，這兩者的重心是一樣的，這就保證它們的活動自由度也必須是相同的，從而使人體使用外骨骼更加隨心所欲。
2.2機(jī)械人總體方案的設(shè)計
設(shè)計人員在研制手臂外骨骼系統(tǒng)使用目標(biāo)的時候，選取身高為175.4cm的成年男子為對象，體重為七十一公斤，選取對應(yīng)的尺寸數(shù)據(jù)來進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計方案如下：
圖2-2
該類型的機(jī)器人使用的是關(guān)節(jié)型構(gòu)造，這種形式的機(jī)器人特別之處在于它的外體小，活動空間大，有較高的靈活度。這種形式的機(jī)器人構(gòu)造內(nèi)部，肩部是兩個自由度，肘關(guān)節(jié)是一個自由度，這里面（1）肩關(guān)節(jié)的伸縮軌跡為θ1，（2）肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的區(qū)域?yàn)棣?，構(gòu)成的肩部具有兩個自由度；伸縮運(yùn)動的肘部具有一個自由度，它們的自由度分布圖如下所示。設(shè)計人員還在外骨骼系統(tǒng)上面安裝了編碼設(shè)備以及操作設(shè)備，收集運(yùn)動信息內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動屬性的增強(qiáng)。筆者所設(shè)計的機(jī)器人是由高強(qiáng)度的鋁合金構(gòu)成的，機(jī)器人一方面要便于患者創(chuàng)帶，另一方面，這種材質(zhì)非常輕，能有效減輕患者的負(fù)重。按照標(biāo)準(zhǔn)，該機(jī)器人的總重量為七公斤。
圖2-3
筆者將機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下，主要目的是適應(yīng)患者生活工作的需要，能方便穿戴。
肩部的屈/伸關(guān)節(jié)： 30°/s 5 r/min
肩部外/內(nèi)旋關(guān)節(jié): 30°/s 5 r/min
肘關(guān)節(jié): 60°/s 10 r/min
各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動范圍:
肩部的屈/伸關(guān)節(jié): θ1= 0°～90°
肩部外/內(nèi)旋關(guān)節(jié): θ2=-45°～45°
肘關(guān)節(jié): θ3= -0°～120°
2.3 機(jī)器人驅(qū)動方案設(shè)計
對機(jī)器人設(shè)計的最初的考慮，根據(jù)應(yīng)用的要求簡化信賴性和機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)。我們確定了整體設(shè)計，對零部件的選擇，要充分考慮機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)簡單。總而言之，本文所設(shè)計的機(jī)器人工作轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定，維護(hù)成本低，操作簡單。
2.3.1 選取合適的驅(qū)動方式
機(jī)器人不僅受限于環(huán)境，我們要考慮價格因素的影響，只有這樣才能達(dá)到高技術(shù)水平?，F(xiàn)在，機(jī)器人的驅(qū)動方式是以油壓驅(qū)動為中心，還有空壓和電力驅(qū)動。以下三種驅(qū)動模式的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：驅(qū)動油壓系統(tǒng)的壓力提供更大的驅(qū)動力，穩(wěn)定性較好，快速的響應(yīng)速度、高定位精度和剛性。作為缺點(diǎn)，復(fù)雜的油壓系統(tǒng)的性能受到環(huán)境的影響，移動性能很差，會造成壓力泄露，影響性能的發(fā)揮。優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，行動快速，能適應(yīng)嚴(yán)酷的工作環(huán)境。缺點(diǎn)就是精度不高，需要提高，空氣機(jī)器的噪聲較大，這就需要使用合適的控制手段來提升馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)的功能。綜上所述，我們在設(shè)計機(jī)器人的時候，使用的是馬達(dá)驅(qū)動模式。
作為機(jī)器人的驅(qū)動部件可以選擇直流伺服馬達(dá)，還可以選擇步進(jìn)馬達(dá)。下面是對這兩種電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)的分析：使用步進(jìn)電機(jī)，在不了解位置信息的前提下，就能實(shí)現(xiàn)對開環(huán)位置的確定，可控性好，但是機(jī)器人的驅(qū)動所必要的扭矩，是根據(jù)馬達(dá)的尺寸和重量的大小的前提，會對機(jī)器人結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。如果扭矩小的馬達(dá)在減速機(jī)的后面，會大大降低速度，輸出速度也會降低，從而不利于機(jī)器人的正常運(yùn)行；因?yàn)榫哂休^快的慣性響應(yīng)速度、緊湊的結(jié)構(gòu)，超負(fù)荷能力強(qiáng)，所以通過位置的反饋來達(dá)到精度。綜上所述，我們將作為驅(qū)動單元選擇直流伺服馬達(dá)。一般直流電動機(jī)減速、光電式編碼，構(gòu)成了伺服單元，用戶可以根據(jù)他們自身的需求選擇。
2.3.2驅(qū)動方案的設(shè)計
機(jī)器人的肩膀關(guān)節(jié)θ1彎曲伸展的驅(qū)動方式如下圖。支持系統(tǒng)上設(shè)置的馬達(dá)考慮到減速機(jī)以及同期的牙齒，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)繞軸旋轉(zhuǎn)。使用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是，發(fā)動機(jī)的重量不會超重，發(fā)動機(jī)和肩膀的高度配置相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊化，提升布局的合理性。
圖2-4
根據(jù)設(shè)計要求肩關(guān)節(jié)處的最大驅(qū)動力矩：
選用上海新寬科技稀土電機(jī)有限公司生產(chǎn)的50SYX-02型直流伺服永磁
稀土電機(jī),性能參數(shù)如表2.2所示。
表2.2 50SYX-02基本性能參數(shù)
山于所選用的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速較高、轉(zhuǎn)矩小，所以應(yīng)該在驅(qū)動電機(jī)和機(jī)器人臂之間添加減速機(jī)構(gòu)。我們選用的是PL60型行星減速器，具體參數(shù)如下表。
表2.3 PL60型行星減速器基本性能參數(shù)
這種類型的齒形帶，集合了皮帶、鏈條和齒輪三種傳動方式的長處，構(gòu)造簡單，傳送帶表面光滑，低成本，能吸收振動力，變速比一定咬合，性能高速傳輸，功率接近百分之百，高達(dá)百分之九十八。同步使用牙齒皮帶的固體，在這個安裝康復(fù)機(jī)器人的時候，馬達(dá)低負(fù)荷速率運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為每分鐘三前轉(zhuǎn)，使用的變速比1：2等速齒形帶，這是一種齒形傳送帶。
圖2-5
機(jī)器人系統(tǒng)所要負(fù)荷的是肩膀外旋內(nèi)旋θ2和肘部彎曲擴(kuò)展的運(yùn)動θ3驅(qū)動系統(tǒng)，外形比較小，構(gòu)造緊密。小型輕量構(gòu)成。機(jī)器人的肩膀外旋旋θ2是在特定的設(shè)計中，在傳達(dá)上比較傾向于直流電力驅(qū)動的小型電動機(jī)，使用這種傳動帶，能實(shí)現(xiàn)1:10的齒輪變速器的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)內(nèi)外旋θ2。該類型關(guān)節(jié)的驅(qū)動示意圖如2-5表示。直流伺服電機(jī)的臂本體嚴(yán)重依賴于減速機(jī)的驅(qū)動，大齒輪安裝在上臂中，在小齒輪的傳動作用下，空套會繞上臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得機(jī)器人的活動總新和患者的重心處于相同水平面，而且它們的活動軌跡也是相似的。大齒輪的立體構(gòu)造結(jié)構(gòu)如下圖所示。因?yàn)榇簖X輪和機(jī)器人的前臂是連接起來的，當(dāng)齒輪發(fā)生轉(zhuǎn)動的時候，機(jī)器人的前臂肯定也會發(fā)生轉(zhuǎn)動，最終推動手臂在機(jī)器人前臂的帶動下發(fā)生轉(zhuǎn)動。在設(shè)計機(jī)器人的時候，使用的是型號為50SYX-4的直流電動機(jī)，該電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表2.4顯示。
圖2-6
表2.4 50YSX-40基本性能參數(shù)
在肘關(guān)節(jié)肘θ3伸縮的時候，使用的是各種類型的驅(qū)動設(shè)備，由直流電動機(jī)減速軸首先研究直接連接，這種結(jié)構(gòu)是很簡單的，但使各關(guān)節(jié)的軸向尺寸很大，對外形產(chǎn)生不利影響，同時還加大了傳動設(shè)備的轉(zhuǎn)動慣性，所以不會被采納，使用特制的螺絲母就能有效處理這一難題。外骨骼系統(tǒng)的肘部轉(zhuǎn)動θ3，其運(yùn)動趨勢構(gòu)造如下圖2-7。直流電動機(jī)和這種特制螺絲母的位置處于相同的水平，電動機(jī)是安裝在大齒輪上面的，在直流電動機(jī)的推動下發(fā)生轉(zhuǎn)動，在此基礎(chǔ)上，利用連桿將螺絲與肘部的伸縮軌跡統(tǒng)一起來。當(dāng)肩關(guān)節(jié)屈曲和外旋，內(nèi)旋θ2，機(jī)器人肘關(guān)節(jié)2和3運(yùn)動配合，以避免該機(jī)構(gòu)和人的干涉。此方案的長處在于它的構(gòu)造和合理，體小質(zhì)輕。在設(shè)計該方案的時候，筆者使用的是由上海當(dāng)?shù)刂圃斓挠来胖绷麟妱訖C(jī)，該設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如下圖所示：
圖2-7
2.4機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)
零件選擇是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要條件，按照機(jī)器人的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)考慮，需要對組成成分進(jìn)行調(diào)整，上肢的設(shè)計圖如2-8所示，其六個主要組成部分是同速率傳動系統(tǒng)、設(shè)備支架系統(tǒng)、上肢大臂構(gòu)造、齒輪構(gòu)造、螺絲螺母零部件和前臂構(gòu)造。
圖2-8 機(jī)械人結(jié)構(gòu)示意圖
2.5 本章小結(jié)
本章介紹了機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成,進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計。全面介紹論述了康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動程序設(shè)計方案，并選用了科學(xué)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，還對人的上肢構(gòu)造以及外骨骼系統(tǒng)的穿戴設(shè)計構(gòu)造進(jìn)行了研究。
第3章 機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析
所謂的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)，從本質(zhì)上分析，就是一種數(shù)量函數(shù)關(guān)系，闡釋了它的空間位置的運(yùn)動關(guān)系，對運(yùn)動的機(jī)器人為中心的系統(tǒng)進(jìn)行了研討，力量大小和力矩長短與它們沒有必然的關(guān)系。機(jī)器人的可變空間的綜合性研究，還包含了機(jī)器人行動執(zhí)行方位的關(guān)系。不僅如此，機(jī)構(gòu)的分析，解析機(jī)構(gòu)速度，加速度的分析活動，都是以此為基礎(chǔ)的。
從本質(zhì)上來講，位置方程和運(yùn)動學(xué)方程是相同的，它們都是對坐標(biāo)體系的表示，正常情況下，機(jī)器人在各個坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置和系統(tǒng)底座信息數(shù)據(jù)之間存在著一定的關(guān)系，研究者使用這種方法對上述關(guān)系進(jìn)行論述，可以使這種關(guān)系更加明確。在康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中，各個關(guān)節(jié)的變量屬于獨(dú)立的狀態(tài)，正常情況下，數(shù)量關(guān)系是通過參照系統(tǒng)來進(jìn)行解釋的，這種情況下，逆運(yùn)動方法經(jīng)常被運(yùn)用到。
3.1 機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)正分析
本文所研究的外骨骼系統(tǒng)屬于運(yùn)動康復(fù)機(jī)器人，是不同型號的零部件構(gòu)成的，可以在一定的空間內(nèi)進(jìn)行自由度的活動。對于這些零部件的介紹，筆者用到了物體空間位置關(guān)系數(shù)量方式。除此之外，還使用這種方式對機(jī)器人零部件的運(yùn)動速度和運(yùn)轉(zhuǎn)動力數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行探析。現(xiàn)如今，比較常用的就是齊次坐標(biāo)矩陣法，該方法具有很高的穩(wěn)定性，并且相對規(guī)范。這種方式還可以用于對機(jī)器人的操控方式進(jìn)行分析，還可以處理收集到的圖像資料。
3.1.1連桿坐標(biāo)系及連桿參數(shù)的確定
確立了坐標(biāo)體系，機(jī)器人的關(guān)節(jié)必須遵循相應(yīng)的設(shè)計原則，即：和機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸以及Z軸處于相同的直線坐標(biāo)，它的肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的連桿X軸相同，坐標(biāo)系的三個軸間距可以用右手定律來表示。
圖3-1
圖3-2 機(jī)器人各關(guān)節(jié)的D一H坐標(biāo)系圖
在圖3 - 1安裝的康復(fù)機(jī)器人的整體構(gòu)成方案，對其進(jìn)行研究可知，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的各機(jī)器人的關(guān)節(jié)坐標(biāo)顯示一樣，通過對不同關(guān)節(jié)的構(gòu)造數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)出了參數(shù)匯總表，如下表顯示。
表3.1 三自由度機(jī)器人的關(guān)節(jié)參數(shù)表
3.1.2連桿變換和運(yùn)動學(xué)方程
連桿坐標(biāo)系（i）相對于（i-1）的變換i-1iT與ai-1，di，αi，這4個參數(shù)有關(guān)，連桿變換i-1iT的通式為：
通過對上表中的參數(shù)表進(jìn)行分析可知，在不同的矩陣中，θi的各個參數(shù)并不是一成不變的。由圖（3-1）我們可以計算出 10T, 21T, 32T的表達(dá)式如下所示：
將各連桿變換i-1iT（i=1,2,3）相乘，得到30T=10T 21 32T即
上面分別顯示了此三個關(guān)節(jié)θ1, θ2, θ3的函數(shù)變量關(guān)系，全面的顯示了機(jī)器人前臂坐標(biāo)之間的關(guān)系，即機(jī)器人變換矩陣。
為所求運(yùn)動學(xué)正解表達(dá)式。
做一種假設(shè)，那就是將坐標(biāo)體系中的點(diǎn)當(dāng)作外骨骼系統(tǒng)上臂的點(diǎn)，也就是坐標(biāo)系統(tǒng)的{3}，點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)值用3P=[X3 Y3 Z3 1]T表示，在坐標(biāo)系{0}下的其次坐標(biāo)值表示0P=[X0 Y0 Z0 1]T,則有
把機(jī)器人如圖3-2所示的位姿，即θ1=0°，θ2=0°，θ3=0°設(shè)備機(jī)器人的初始姿態(tài)，帶入矩陣30T得
3.2機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)逆分析
運(yùn)動學(xué)逆問題起著在機(jī)器人運(yùn)動學(xué)，動力學(xué)和控制的研究中具有重要作用，直接影響到控制精度和速度。機(jī)器人手臂的運(yùn)動學(xué)方程寫為：
如果機(jī)器人末端位置已給出，n,o,a和P已知，則求關(guān)節(jié)變量θ1，θ2，θ3值稱為運(yùn)動學(xué)反解。下面使用反變換法，也被稱為代數(shù)求解。
3.4本章小結(jié)
本章首先介紹用其次坐標(biāo)變換來描述坐廠標(biāo)之間的相對位置的方法，之后主要介紹了D-H法，用于創(chuàng)建關(guān)節(jié)連桿坐標(biāo)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計示意圖，之后創(chuàng)建了它的運(yùn)動分析數(shù)據(jù)模型，并且從正反兩個方面對存在的問題進(jìn)行了探討，計算機(jī)器人末端在空間的運(yùn)動速度，研究機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和控制的重要內(nèi)容都包含以上所敘述,也為規(guī)劃機(jī)器人的基礎(chǔ)。
第4章 運(yùn)動空間分析
工作空間的本質(zhì)就是運(yùn)用數(shù)學(xué)幾何的方式，來探討機(jī)器人的功能。工作空間的大小代表機(jī)器人的活動范圍,它是評估機(jī)器人工作能力的一個重要的運(yùn)動學(xué)指標(biāo)。工作空間是在機(jī)器人的設(shè)計、控制及應(yīng)用過程中,需要考慮的重要問題，此外,機(jī)器人機(jī)構(gòu)的合理性也可以使用工作空間來進(jìn)行評估。
4.1 工作空間的確定方法
工作空間一般存在兩個基本問題：（1）我們要如何解決對于具有規(guī)定關(guān)節(jié)變量變化范圍和一定結(jié)構(gòu)形式或結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)器人求解其工作空間,簡稱為工作空間分析或工作空間問題。（2）給出一定的工作空間,我們要如何確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)和關(guān)節(jié)變量的變化范圍,稱為機(jī)器人的綜合或作空間的逆問題。
在該章節(jié)中，筆者主要分析了工作空間的正問題。有很多方法可以用于界定工作空間，比如數(shù)量解析法和圖解法，前者具有較強(qiáng)的使用價值，后者的直觀性較高，因此采用圖解法研究機(jī)器人的工作空間的大小。用圖解法求工作空間，得到的往往是工作空間的各類剖截面或剖截線,但它直觀性強(qiáng)，便于和計算機(jī)結(jié)合起來，可以顯示在可達(dá)點(diǎn)內(nèi)機(jī)器人的構(gòu)形特征。可將本課題設(shè)計的機(jī)器人前后兩關(guān)節(jié)和中間關(guān)節(jié)分成兩組,前兩關(guān)節(jié)稱之為位置結(jié)構(gòu),主要確定工作空間大小,后一關(guān)節(jié)稱之為定向結(jié)構(gòu),主要確定機(jī)器人的位姿。以下步驟詳細(xì)介紹了機(jī)器人工作空間的作圖方法：
1、機(jī)器人結(jié)構(gòu)限制分析
肩部屈伸桿件的結(jié)構(gòu)限制是0°≤θ1≤90°
肘部屈伸桿件的結(jié)構(gòu)限制是0°≤θ3≤120°
由肩部屈伸桿件和肘部屈伸桿件決定的平面繞軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)限制是
-45°≤θ2≤45°
2、工作空間主截面圖
首先確定初始點(diǎn),取θ1=0°，θ3=0°時機(jī)器人末端參考點(diǎn)Pm為初始點(diǎn),然后分段作圖：
（1）使θ3=0°不變，以O(shè)1為機(jī)械人坐標(biāo)系{1}的原點(diǎn)，使θ1從0°到90°變化，得到圓弧CP1P2 。
（2）使θ1=0°不變，以O(shè)2為機(jī)械人坐標(biāo)系{2}的原點(diǎn)，使θ3從0°到120°變化，得到圓弧CP1P4 。
（3）使θ1=90°不變，以O(shè)2為圓心，使θ3從0°到120°變化，得到圓弧CP2P3 。
（4）使0°＜θ1＜90°，θ3=120°時機(jī)器人末端參考點(diǎn)Pm到機(jī)器人坐標(biāo)系{1}的原點(diǎn)O1的距離，集合關(guān)系如圖4-2所示，可有余弦定理算得：
圖4-2
求得機(jī)器人末端參考點(diǎn)Pm。工作空間軸截面是由上述四段圓弧的組成,如圖4-3所示。
圖4-3
3、局部環(huán)形旋轉(zhuǎn)體剖面
0°＜θ2＜45°之間變化所形成的沿軸方向的環(huán)形旋轉(zhuǎn)體剖面圖形作出后,可根據(jù)作圖過程寫出各區(qū)段的曲線方程。如下表4.1
表4.1 工作空間軸界面曲線方程表
4.2關(guān)節(jié)桿長對工作空間的影響
在可穿戴上肢機(jī)器人運(yùn)動時,肩高是固定不變的,而機(jī)器人末端參考點(diǎn)Pm工作空間的大小與機(jī)器人的各桿長有關(guān)系，下面分別分析了機(jī)器人的上臂體桿長a1和前臂體桿長L2的變化對機(jī)器人末端Pm。工作空間的影響。
當(dāng)只有上臂體桿長a1變化時,工作空間變化如圖4-4中所示,圖中細(xì)實(shí)線表示桿長a1增加時的機(jī)器人工作空間,相對于原有空間有向左平移的趨勢,細(xì)點(diǎn)畫線表示體桿長a1減少時的機(jī)器人工作空間,相對于原有空間有向右平移的趨勢,機(jī)器人工作空間基本沒有變化,也就是說,該點(diǎn)可達(dá)位置在空間所占有的體積基本沒有變化。
圖4-4
當(dāng)只有前臂體桿長L2變化時,工作空間變化如圖4-5。圖中細(xì)實(shí)線表示桿長L2增加時的機(jī)器人工作空間,相對于原有空間粗實(shí)線有向左平移且機(jī)器人工作空間將變大細(xì)點(diǎn)畫線表示桿長L2減少時的機(jī)器人工作空間,相對于原有空間有向右平移且機(jī)器人工作空間將變小的趨勢。
圖4-5
所以，在相同變化時，上臂體桿長a1對機(jī)器人末端Pm幾工作空間基本沒有影響,而前臂體桿長L2對機(jī)器人末端Pm。工作空間會有較大的影響。
4.3本章小結(jié)
本章詳細(xì)介紹了機(jī)器人工作空間的定義、工作空間的數(shù)學(xué)描述，對機(jī)器人工作空間的正問題所進(jìn)行的研究，主要使用圖解法，通過分析活動可知，機(jī)器人的工作空間區(qū)域受到關(guān)節(jié)連桿長短的影響。
42
第5章 總論與展望
5.1總結(jié)
在本文中，我們對三自由度機(jī)器人運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了兩個主要方面的分析。一方面，依照機(jī)器人學(xué)經(jīng)典理論，對上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了探討，完成了有關(guān)理論分析和計算，創(chuàng)建外骨骼系統(tǒng)的模型。除此之外，根據(jù)課題的要求和實(shí)際情況，針對于患者上肢功能的康復(fù)，筆者設(shè)計的機(jī)器人具有三個自由度，并且是可穿戴的，設(shè)計機(jī)器人的時候運(yùn)用了PROE模型設(shè)計軟件，在此基礎(chǔ)上完成了仿真測試，主要做了以下幾方面的工作
1、從可穿戴式上肢機(jī)器人的設(shè)計要求入手，在患者和機(jī)器人高度結(jié)合的前提下，按照機(jī)器人制造圖紙，研制了機(jī)器人樣機(jī)，全面介紹了機(jī)器人的工作原理和運(yùn)行方式。
2、使用恰當(dāng)?shù)姆绞綄ν夤趋老到y(tǒng)進(jìn)行全面的研究，創(chuàng)建了運(yùn)動模型，并總結(jié)了它的各項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)，在這種條件下，可以將笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)系統(tǒng)，從而全面的分析外骨骼系統(tǒng)的各種問題，創(chuàng)建了雅克比矩陣，對機(jī)器人運(yùn)行區(qū)域的正問題全面的研究，得出了機(jī)器人工作空間受到關(guān)節(jié)連桿長度影響的結(jié)論。
3、利用PROE軟件對可穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人的進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真,得到了機(jī)器人的工作運(yùn)行軌跡,同時在仿真中也可以實(shí)現(xiàn)對其運(yùn)動學(xué)理論解的驗(yàn)證。
本文通過利用PROE建模后,對可穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動仿真,驗(yàn)證了模型樣機(jī)的合理性,取得了初步的成果。但還有很多研究工作要作,需要對可穿戴式機(jī)器人許多技術(shù)進(jìn)行更深入的研究,仍有許多問題需要探討：
1、 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計及電機(jī)選型以實(shí)現(xiàn)可穿戴式機(jī)器人的進(jìn)一步減重，機(jī)器人的能耗盡管會降低，但是它的各項(xiàng)性能會全面的提升。
2、實(shí)際零部件加工裝配完成后,需要將實(shí)驗(yàn)調(diào)試的結(jié)果與虛擬仿真的結(jié)果比較驗(yàn)證,同時進(jìn)一步細(xì)化仿真模型有助于更好地用虛擬樣機(jī)來模擬實(shí)際的機(jī)器人。
5.2 展望
5.2.1機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的展望
本文所設(shè)計的外骨豁式上肢康復(fù)機(jī)器人在機(jī)構(gòu)上己經(jīng)能滿足上肢運(yùn)動的基本功能需求，但結(jié)合到設(shè)備的使用性能以及用戶體驗(yàn)等，仍有部分內(nèi)容需要進(jìn)
一步改進(jìn)：
1、外骨豁穿戴式機(jī)器人已經(jīng)成為當(dāng)下上肢康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)發(fā)展主流，設(shè)計出更加輕巧、便攜尤其是方便穿戴的機(jī)械機(jī)構(gòu)是該機(jī)器人機(jī)構(gòu)發(fā)展的一個重要方向。設(shè)計出一套能自動調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸及實(shí)現(xiàn)自動穿戴功能的設(shè)備是方便患者使用的一個重要發(fā)展趨勢。
2、對于將要集成多種功能（主動、被動、鏡像運(yùn)動等康復(fù)功能）為一體的康復(fù)機(jī)器人，應(yīng)該擁有一套可輕松互換的對稱執(zhí)行機(jī)構(gòu)（一側(cè)為健側(cè)，一側(cè)為患側(cè)）。因此各關(guān)節(jié)處有必要設(shè)有關(guān)節(jié)離合器，同時為了提供更加安全旳環(huán)境，對于整體機(jī)構(gòu)的功能執(zhí)行可能需要設(shè)置一套總離合器。
3、對于系統(tǒng)傳動中的摩擦損失情況可做進(jìn)一步研究從而優(yōu)化傳動系統(tǒng)，同時可根據(jù)設(shè)計需要設(shè)計出更適合該系統(tǒng)傳動的軟管機(jī)構(gòu)及選定相關(guān)材料。
5.2.2控制創(chuàng)新的展望
在過去技術(shù)手段不高的時期內(nèi)，患者的部分運(yùn)動機(jī)能喪失，為了盡快恢復(fù)，醫(yī)生會花費(fèi)大量的時間精力對患者進(jìn)行輔導(dǎo)，幫助他們進(jìn)行力量康復(fù)練習(xí)，患者的康復(fù)效果不好，有些治療醫(yī)生的訓(xùn)練方法不當(dāng)，還有可能對患者造成更為嚴(yán)重的后果。使用這種傳統(tǒng)康復(fù)手段，沒有統(tǒng)一的考評制度方法來收集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，沒有好的辦法來對訓(xùn)練活動實(shí)現(xiàn)改進(jìn)優(yōu)化，從而得到高質(zhì)量的醫(yī)治。對于康復(fù)機(jī)器人控制設(shè)計本文提出以下展望：
1、隨著智能化觸屏技術(shù)的普及和聲控技術(shù)的成熟發(fā)展下，該類技術(shù)同樣
可以運(yùn)用在康復(fù)機(jī)機(jī)器人上。
2、對于該機(jī)器人，我們提出了具有自主訓(xùn)練和監(jiān)護(hù)陪同訓(xùn)練兩類訓(xùn)練方式。其中監(jiān)護(hù)訓(xùn)練可分為專業(yè)醫(yī)師指導(dǎo)操作訓(xùn)練和非專業(yè)人事協(xié)助訓(xùn)練；自主訓(xùn)練是患者在無其他人員陪同時自主操作設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動穿戴和自主康復(fù)訓(xùn)練的訓(xùn)練式，自主康復(fù)訓(xùn)練模式包括指定康復(fù)模式選擇、自主運(yùn)動錄制、雙臂鏡像運(yùn)動等功能。
3、同時為了有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要對臨床醫(yī)師所裔要參考的康復(fù)數(shù)據(jù)力反饋或肌電信號等）進(jìn)行有效提取及處理，方便醫(yī)師進(jìn)行康復(fù)評估以及及時制定合適的康復(fù)訓(xùn)練模式。從而有效促進(jìn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和一對多的康復(fù)監(jiān)控。因此針對提出哪些參數(shù)以及如何有效提取相關(guān)參數(shù)需要進(jìn)一步結(jié)合臨床醫(yī)學(xué)及康復(fù)工程作深入研究。
4、設(shè)計趣味化康復(fù)模式?？舍槍祻?fù)訓(xùn)練內(nèi)容設(shè)計出各種有趣的虛擬環(huán)
境來調(diào)動使用者的積極性，可開發(fā)相應(yīng)的程序。對于今后的設(shè)備可發(fā)展為能直接連接手機(jī)端實(shí)現(xiàn)智能化、多端口聯(lián)合監(jiān)控
致謝
這次畢業(yè)設(shè)計在指導(dǎo)我的老師的教育下，同學(xué)的幫助下得以順利完成，并非我一人之功勞。在這里，我要給他們表示我最真誠的謝意，是他們不僅讓我完成了設(shè)計，還讓我學(xué)到了許多書本上都學(xué)不到的東西，同時也給我提供了充足完備的學(xué)習(xí)條件和寶貴的交流機(jī)會，真是受益匪淺。從課題的選定到設(shè)計的順利完成，都是我的導(dǎo)師熱情指導(dǎo)和點(diǎn)撥的，是您的潛移默化讓我對設(shè)計有了全新的認(rèn)識?？梢哉f沒有您的幫助，我的設(shè)計是沒有辦法很好完成的。您的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)對我產(chǎn)生了很大的影響，這對我是一種很好的熏陶，對我以后的學(xué)習(xí)和生活都有很大的幫助。
本論文從定題到搜集資料，再到開題、撰寫、修改、直至最終定稿，我的導(dǎo)師嚴(yán)格要求、循循善誘，注入了大量的心血，我在此由衷地感謝老師給予的耐心指導(dǎo)和無私地奉獻(xiàn)。這幾年的學(xué)習(xí)生涯中，老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、做事認(rèn)真的工作態(tài)度，孜孜教誨、無私奉獻(xiàn)的作風(fēng)以及勇于創(chuàng)新的精神令我受益匪淺。
感謝班級指導(dǎo)員，是他們給予我學(xué)習(xí)和生活中的引導(dǎo)，從而使我順利完成學(xué)業(yè)，保持一顆積極向上的心態(tài)。感學(xué)學(xué)院的書記是他們在思想上給予我指導(dǎo)，使我始終保持政治思想上的先進(jìn)性，不斷學(xué)習(xí)進(jìn)步。
感謝班級所有同學(xué)。幾年來大家一起學(xué)習(xí)生活，一起參加班級集體活動，形成了一個團(tuán)結(jié)、友愛、互相幫助的集體，這將是我人生最難忘的一段學(xué)習(xí)經(jīng)歷。
最后，特別感謝我的家人多年來對我的支持和為此做出的巨大犧牲，是他們在物質(zhì)和精神上的長期支持、鼓勵和無限的關(guān)愛支撐著我。四年的求學(xué)生涯，我學(xué)到了許多東西，不僅僅在學(xué)習(xí)和科研上，在其他的很多方面我都上了一個新的臺階。在論文完成之際，謹(jǐn)向所有關(guān)心、幫助、支持過我和對我有所期待的親人朋友們致以最誠摯的謝意！
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