上肢康复机器人设计【三维PROE】 【含动画仿真】【8张CAD图纸+PDF图】

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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 录 摘要 2 ABSTRACT 3 绪论 5 1.1研究背景与意义 5 1.2国内外研究现状及分析 6 1.2.1国外发展概况 7 1.2.1国外发展概况 9 1.2.3存在的问题 11 1.3主要研究内容 12 第2章机器人总体结构设计 13 2.1机器人的设计要求及原理 13 2.1.1人体上肢运动分析 13 2.1.2机器人设计原理 14 2.2机械人总体方案的设计 15 2.3 机器人驱动方案设计 17 2.3.1 驱动方式的选择 17 2.3.2驱动方案的设计 17 2.4机器人总体机械结构 21 2.5 本章小结 22 第3章机器人的运动学分析 23 3.1 机器人的运动学正分析 23 3.1.1连杆坐标系及连杆参数的确定 23 3.1.2连杆变换和运动学方程 25 3.2机器人的运动学逆分析 27 3.4本章小结 30 第4章运动空间分析 31 4.1 工作空间的确定方法 31 4.2关节杆长对工作空间的影响 33 4.3本章小结 35 第5章总论与展望 36 5.1总结 36 5.2 展望 37 5.2.1机构创新的展望 37 5.2.2控制创新的展望 37 致谢 39 参考文献 40 绪论 1.1研究背景与意义 最近几年，电子技术发展迅速，通过与结构学的相结合，研制出了机器人，成为现代科技的重要标志，在机电科学领域属于高端科研成果。科学家为了研制出机器人，综合运用了电子信息、自动化以及机械设计等各个专业研究领域的现金研究成果。现如今，专用于医学方面的机器人技术有了突飞猛进的发展，这主要得益于与之相关的工程机械学、生物技术、电子信息技术、电脑职能技术以及其他与之相关的领域专业知识研究成果层出不穷，这些学科专业知识的发展，有力的推动了医疗专用机器人设备的发展。为了在医疗诊断和患者康复方面，工作水平有进一步的提高，科学家通过对不同学科最新研究成果的研究和分析，设计了机器人。最为常见的就是辅助病人身体康复的机器人，这类机器人的主要功能是帮助病人恢复运动功能，对伤害的肢体进行矫正。医用康复机器人分为两类，最主要的、使用最广泛的就是辅助机器人，它的主要使用者是年老体弱者或身有残疾者，能充当肢体发挥部分运动功能，从而能基本应对平常的生活工作需要。 全球范围内，不少国家已经步入老龄化社会，联合国相关部分的数据统计显示，再过不到五十年，全球的老年人数量会翻一番。除此之外，因各种人为和自然灾害产生的残疾人数量也会激增，他们必须有专人服务，才能继续生活下去。现在所研制的医用机器人，一方面能帮助他们应对生活中面临的困难，另一方面能让他们重拾自尊，树立继续生活下去的自信心，保持良好的心态，面对生活工作中的一切艰难险阻。现如今，医用机器人主要包括肢体矫形器、运动假肢等四类的产品，将工学知识与医学理论高度融合起来。医学理论和工科知识相融合，研制出了肢体康复机器人。因为研究的时间不长，与上肢康复机器人相比，技术还不是很成熟，产品种类也不多，只能在人体的部分关节使用，帮助手腕等关节恢复健康。另外，因为它是独立制作的，与人体手臂关节的配合度还不是很高，影响到了使用者的最佳体验。因为国内产品技术水平不高，为了满足实际的应用需要，我国从国外花高价购买了大量医疗辅助设备。总而言之，科技的发展日新月异，用于医用辅助设备研究的技术发展迅速，很多专业组织机构必然会加强该领域的研究，这就推动了医用辅助设备国产化的发展趋势。 外骨骼系统属于机器人学的重要组成部分，它与我们理解的一般机器人有很大的不同。该辅助系统与人的身体关节有很大的相似性，在工作的时候会仿照人体运动形态，在活动范围上与人体也有极高的相似度。外骨骼与普通机器人很相像，对其概念的把握不是很容易。通常情况下，能附着于人体外面的，受制于人体的设备都属于外骨骼的范畴。该系统的主要特性如下：使用该系统，患者的运动能力大为提升，具备了能完成之前认为不可能完成的工作；它的抗阻性不高，对于使用者的正常活动不会产生很大的影响；它的接口设计的非常合理，使用者在运用的时候，会感觉轻松自如，使用体验上佳，能让患者感觉与外骨骼是高度融合在一起的，而不是额外添加的一部分，实现了人体和外骨骼系统的有机统一；外骨骼使用寿命长,它具有足够的使用持久性、耐久性,可以多次充电,快捷简单易操作；外骨骼是使用很舒适的产品，它穿戴在使用者身上，给人一种很舒适、安全的感觉,而且使用很方便。综上所述，在患者运动能力康复过程中，外骨骼发挥的作用是巨大的。在该研究领域当中，研究人员通过使用对其评估结果，对患者的运动机能的提升方面的研究，已经成为核心内容。 课题的目的是设计一种上肢康复外骨骼机器人,通过可穿戴式外骨骼带动患者的患肢运动,模拟日常生活中的手臂运动规律，实现手臂各关节的运动，加大对肌肉和神经系统的锻炼强度，确保该系统和人体的高度统一，从而达到最优康复训练效果。 1.2国内外研究现状及分析 从二十世纪六十年代开始，专家学者们就将机器人技术应用到了患者身体运动机能，虽然取得一定的进步，但是该类机器人只是发展缓慢。到20世界80年代后，随着计算机飞速发展，康复机器人的研究与开发开始得到绝大多数人的注意。直到步入 21 世界康复机器人走进了发展的黄金时期，各种各样的机器人如雨后春笋般出现，甚至一些机器人已经形成产品化并用于临床研究之中。 1.2.1国外发展概况 外国对机器人的研究开始比较早，从1991年开始，麻省理工学院设计MIT-MANUS上肢机器人系统，它属于连杆类型的机器人，主要是对患者的肩膀和肘部进行恢复性治疗。一方面可以最大程度的降低操控方面的阻力，另一方面还能保障患者使用的安全。综上所述，该系统在帮助患者恢复运动能力方面具有显著的作用。此外，该系统可以通过人机交互界面可以直接准确测量患者手臂的平面运动参数。 图1-1 在瑞士苏黎世大学 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为 ARMin 的外骨骼上肢康复机器人系统设备，如图 1-2所示。它是由轮椅进行固定的，有六个节点可以进行调整角度，可以实现肘关节的屈伸运动，肩关节的 3 个自由度以及腕部的屈伸运动。患者可以根据自己的需求，运用操控系统设置符合现状的运动方式。为了检测患者康复运动的状态，我们在机器人各关节处安装了位置传感器和力传感器，以此来提高保证训练的安全性。除此之外，机器人还可以根据患者的上肢尺寸进行自我调节。 （a）第一代 （b）第二代 图 1-2 2006 年，华盛顿大学的 C.Perry 等人研制了一套名为 CADEN-7 的七自由度的外骨骼上肢康复机器人系统，如图 1-3所示。该机器人采用电机控制，控制肘部和腕部的滑轮和线缆组成的传动机构完成规定的康复训练要求，同时该机器人系统大量结合了正常人肢体日常所需的运动学参数，动力学参数，工作空间，关节运动范围等，并且符合人体工学的设计要求。 图1-3 1.2.1国外发展概况 相对于国外已经较为成熟的外骨骼式上肢康复训练机器人技术，我国在该领域的研究开始的晚，研究水平不高，形成产品化的机器人少之又少。随着我国经济实力的增强，国内许多研究机构开始重视外骨骼式康复机器人的研究，所取得的研究成果也非常多，并逐步缩小与发达国家之间的距离。2007 年，清华大学的王东岩教授，经过多年的试验研究，设计出了立式外骨骼上肢康复机器人系统，该机器人采用电机驱动方式，可以实现肩部的伸屈、外展内收，肘部的伸屈，在患者通过使用它，可以完成相对简单的肢体动作。 图1-4 2011 年，华中科技大学吴军等人研制了一种基于气动肌肉的双向对拉驱动方式的外骨骼上肢康复机器人，如图 1-5所示。该机器人通过气动方式可以实现患者肩关节的转动和伸屈，以及肘关节的伸屈。在采用气动肌肉的方式可以增加机器人的柔顺性，减少刚性结构对患者的损伤，并且可以使康复训练满足日常生活的训练强度。 图1-5 2011 年,上海交通大学和 CAD 模具联合中心共同开发设计的外骨骼上肢康复机器人如图 1-10所示。该机器人在机械机构设计上设计了 7个自由度，可以实现肩关节的三个自由度，肘关节两个自由度以及腕关节两个自由度。机器人安装在一个座椅上，并通过可调节装置更好满足患者的训练要求。除此之外，该机器人还提供了重力补偿功能，以提高训练的安全性。 图1-10 1.2.3存在的问题 在上文中提到的外骨骼系统，不仅在国内外都处于该领域的领先位置,而且有的已经应用于临床的康复治疗之中,甚至已经产品化了投向市场了。但是，通过上述的分析，他们仍然存在着一些问题： （1）现有的机器人大多数将上肢结构和手指结构分开进行设计，只是针对部分关节进行康复训练，没有考虑到整个上肢的训练要求。手是人体比较精细的机构，微小空间内神经与血管相互交错，小型肌肉群遍布全手，这使得手指损伤的治疗比较困难，要求比较高，且治疗过程和康复周期时间相对较长。通常情况下，上肢偏瘫患者运动功能恢复是从肩部开始，手指是往往是最后恢复的。因此，在医学界，一些医院将手指的运动功能恢复情况作为上肢康复情况的标准。所以在机器人结构设计时要考虑将上肢与手指进行结合。 （2）通过上述机器人可以看到，大多数机器人结构比较庞大，不具有便携性，而且患者在家中不便于进行康复训练，这对患者的康复也会起到一些负面作用。一些机器人将执行机构和驱动机构分开，不仅增大了系统体积，而且降低了机器人的集成度。除此之外，机器人结构复杂，这导致机器人不具有轻便性，患者穿戴在身上还要克服较大的机构重量，这降低了康复训练的安全性。 （3）大多数机器人没有将人体的生理信号与控制信号进行结合，除了采用了表面肌电信号，应该还要对患者脑电信号进行分析。因为中风主要来自于脑神经的受损，对脑电信号的分析有助于评价患者的康复情况和执行高效的康复训练。采用脑电信号和表面肌电信号结合的办法可以指定一套科学的康复评价体系。 （4）在机器人的设计和运动时，没有考虑到机器人对患者的力学影响，这使得机器人在执行运动时容易对患者的关节进行二次损伤，不利于患者的康复。 （5）大多数机器人没有将虚拟现实技术融入系统之中，降低了康复训练的趣味性，容易使患者产生心理疲劳，降低其对于康复的积极性，影响康复的效果。 1.3主要研究内容 手臂外骨骼康复系统是此次课题开发和研制的最终目的。使用该套系统，可以帮助患者实现各种角度的运动，主要有颈部的旋转、肘部的伸缩以及肩部的上下运动。要查阅大量的专业性资料，并对机器人方面的专业知识有全面的了解，只有这样才能熟悉机器人的发展现状。通过借鉴国内外专家学者在该领域的研究成果，笔者做了相应的集成和创新发展。在下文中，要做的工作内容如下： 1、机器人的总体方案设计 笔者在设计机器人的时候，对身体上肢运动原理进行了深入的研究，主要是适应人体的舒适性。通过对人体的构成要素和在穿戴方面的需要，对机器人的构成部分进行适当的调整，并在此基础上对系统设计方法进行改进。 2、机器人运动学分析 我们首先建立了运动学方程，通过运动知识的正逆算法，经过分析总结出机器人运动属性，最终设计它的雅可比矩阵。 3、工作空间分析 在对机器人正问题进行分析并寻求解决之策的时候，用到的是图解法，分析并总结出了它的活动区域和连接杆长度对机器人运行区域会产生影响的答案。 第2章 机器人总体结构设计 这一章节的主要内容是分析上肢的运动原理，在此基础上总结出机器人和患者结合的特点，设计了全新的数据模型，在保证没有很多较大活动角度的前提下，能最大程度的发挥机器人在患者上肢机能康复方面的作用。除此之外，还要对人体的结构和穿戴性进行深入分析，介绍机器人的构造内容和运行方式。 2.1机器人的设计要求及原理 2.1.1人体上肢运动分析 对人体上肢进行测量的时候，所选用的标准要对每个患者的身体上肢尺寸相适应，根据个人的身体的各部位尺寸的不同，来选择合适的标准。为了研究人们身体的特性，根据工业设计和工程设计对人体测量数据的要求，来进行设计。从1989年7月开始，我国制定了统一的标准，来对身体进行测量。标准包括7个内容，人类的身体的大小的数据基础进行计算，中国成人男性（年龄18-60岁，女性18-55岁），身体的各要素数据不同，根据表2所示，作为人体尺寸的设计参考： 表2-1 人体主要参数表 我们通过对人体上肢的运动作了充分的了解，从而设计出了能帮助残疾人完成日常行为的人体几肢康复系统。在当前的环境中，所收集到的数据准确性很高，能广泛应用于不同环境，是很有难度的。这主要是因为上肢活动灵活，运动性较高，与之相关的关节、神经以及其他组织众多，可以说是牵一发而动全身。所以，对其运动方式的研究，只能运用实用性的角度进行。 图2-1 人类的上肢主要是由肩关节、手臂、肘部、手腕和手组成的。肩关节连接了人体和上臂，前臂的肘关节臂上通过连接着手和手腕，前臂接头通过它连接身体。手的自由度很大，运动关系复杂，所以一般不在此进行分析。除了人体手部活动之外，为了完成生活过程中的一些动作，需要关节活动主要有：肩关节的弯曲、扩展、回内、内转、外面摆放，肘部弯曲、伸展，前臂内自旋、手关节弯曲伸展、内转等。在对人类身体的上肢进行分析的时候，都会使用这些自由度创建模型，如下图表示。 设计康复机器人的构造非常困难，因为它体小很轻。在制造这种锡系统的时候，要想提高一个自由度，设计和制造的机械的复杂性、难度和成本都是原来的两倍。所以，在充分满足患者实际需要的前提下，要尽量减少机器人的自由度，从而建立一个新的运动模型。 2.1.2机器人设计原理 在本课题设计中，笔者只将肩部的两个自由度和肘部的一个自由度考虑在内，使用该机器人能帮助患者进行上面三种类型的活动。使用本文研制的机器人，为满足患者的生活实际需要，并确保安全稳定，患者的肘关节伸展角度最大为154°，肩关节伸展的角度最大分别为60°和180°；内外旋转的最大角度分别是95°和80°。通常情况下，会将机器人肘关节的活动角度控制在120度之内。 患者的受到机器人的控制，这是在结构设计工作中我们所充分考虑到的，患者的四肢的损伤非常容易的。所以我们，康复训练的机器人可以不与患者有直接的肢体接触，设计的时候，关肢上的大牵引力并没有发生，四肢固定机构支持患者使用构造机器人进行康复训练。为保证肢体的柔软性，必须对机器人进行全面的精细检查，可以考虑的是外骨骼是与人体进行高度的结合，从而产生运动的定力，在活动的时候会产生自由度。正常状态下，患者身体是受机器人带动的，这两者的重心是一样的，这就保证它们的活动自由度也必须是相同的，从而使人体使用外骨骼更加随心所欲。 2.2机械人总体方案的设计 设计人员在研制手臂外骨骼系统使用目标的时候，选取身高为175.4cm的成年男子为对象，体重为七十一公斤，选取对应的尺寸数据来进行设计，设计方案如下： 图2-2 该类型的机器人使用的是关节型构造，这种形式的机器人特别之处在于它的外体小，活动空间大，有较高的灵活度。这种形式的机器人构造内部，肩部是两个自由度，肘关节是一个自由度，这里面（1）肩关节的伸缩轨迹为θ1，（2）肩关节旋转的区域为θ2，构成的肩部具有两个自由度；伸缩运动的肘部具有一个自由度，它们的自由度分布图如下所示。设计人员还在外骨骼系统上面安装了编码设备以及操作设备，收集运动信息内容，从而实现机器人运动属性的增强。笔者所设计的机器人是由高强度的铝合金构成的，机器人一方面要便于患者创带，另一方面，这种材质非常轻，能有效减轻患者的负重。按照标准，该机器人的总重量为七公斤。 图2-3 笔者将机器人的各项参数设置如下，主要目的是适应患者生活工作的需要，能方便穿戴。 肩部的屈/伸关节： 30°/s 5 r/min 肩部外/内旋关节: 30°/s 5 r/min 肘关节: 60°/s 10 r/min 各关节转动范围: 肩部的屈/伸关节: θ1= 0°～90° 肩部外/内旋关节: θ2=-45°～45° 肘关节: θ3= -0°～120° 2.3 机器人驱动方案设计 对机器人设计的最初的考虑，根据应用的要求简化信赖性和机构结构。我们确定了整体设计，对零部件的选择，要充分考虑机构的稳定性和结构简单。总而言之，本文所设计的机器人工作转台稳定，维护成本低，操作简单。 2.3.1 选取合适的驱动方式 机器人不仅受限于环境，我们要考虑价格因素的影响，只有这样才能达到高技术水平。现在，机器人的驱动方式是以油压驱动为中心，还有空压和电力驱动。以下三种驱动模式的优缺点分析如下：驱动油压系统的压力提供更大的驱动力，稳定性较好，快速的响应速度、高定位精度和刚性。作为缺点，复杂的油压系统的性能受到环境的影响，移动性能很差，会造成压力泄露，影响性能的发挥。优点结构简单，行动快速，能适应严酷的工作环境。缺点就是精度不高，需要提高，空气机器的噪声较大，这就需要使用合适的控制手段来提升马达驱动系统的功能。综上所述，我们在设计机器人的时候，使用的是马达驱动模式。 作为机器人的驱动部件可以选择直流伺服马达，还可以选择步进马达。下面是对这两种电机优缺点的分析：使用步进电机，在不了解位置信息的前提下，就能实现对开环位置的确定，可控性好，但是机器人的驱动所必要的扭矩，是根据马达的尺寸和重量的大小的前提，会对机器人结构产生不利影响。如果扭矩小的马达在减速机的后面，会大大降低速度，输出速度也会降低，从而不利于机器人的正常运行；因为具有较快的惯性响应速度、紧凑的结构，超负荷能力强，所以通过位置的反馈来达到精度。综上所述，我们将作为驱动单元选择直流伺服马达。一般直流电动机减速、光电式编码，构成了伺服单元，用户可以根据他们自身的需求选择。 2.3.2驱动方案的设计 机器人的肩膀关节θ1弯曲伸展的驱动方式如下图。支持系统上设置的马达考虑到减速机以及同期的牙齿，实现肩关节绕轴旋转。使用这种方式的优点是，发动机的重量不会超重，发动机和肩膀的高度配置相当，实现结构的紧凑化，提升布局的合理性。 图2-4 根据设计要求肩关节处的最大驱动力矩： 选用上海新宽科技稀土电机有限公司生产的50SYX-02型直流伺服永磁 稀土电机,性能参数如表2.2所示。 表2.2 50SYX-02基本性能参数 山于所选用的电动机的转速较高、转矩小，所以应该在驱动电机和机器人臂之间添加减速机构。我们选用的是PL60型行星减速器，具体参数如下表。 表2.3 PL60型行星减速器基本性能参数 这种类型的齿形带，集合了皮带、链条和齿轮三种传动方式的长处，构造简单，传送带表面光滑，低成本，能吸收振动力，变速比一定咬合，性能高速传输，功率接近百分之百，高达百分之九十八。同步使用牙齿皮带的固体，在这个安装康复机器人的时候，马达低负荷速率运行，转速为每分钟三前转，使用的变速比1：2等速齿形带，这是一种齿形传送带。 图2-5 机器人系统所要负荷的是肩膀外旋内旋θ2和肘部弯曲扩展的运动θ3驱动系统，外形比较小，构造紧密。小型轻量构成。机器人的肩膀外旋旋θ2是在特定的设计中，在传达上比较倾向于直流电力驱动的小型电动机，使用这种传动带，能实现1:10的齿轮变速器的运动，实现肩关节内外旋θ2。该类型关节的驱动示意图如2-5表示。直流伺服电机的臂本体严重依赖于减速机的驱动，大齿轮安装在上臂中，在小齿轮的传动作用下，空套会绕上臂进行旋转，使得机器人的活动总新和患者的重心处于相同水平面，而且它们的活动轨迹也是相似的。大齿轮的立体构造结构如下图所示。因为大齿轮和机器人的前臂是连接起来的，当齿轮发生转动的时候，机器人的前臂肯定也会发生转动，最终推动手臂在机器人前臂的带动下发生转动。在设计机器人的时候，使用的是型号为50SYX-4的直流电动机，该电机的主要技术数据如表2.4显示。 图2-6 表2.4 50YSX-40基本性能参数 在肘关节肘θ3伸缩的时候，使用的是各种类型的驱动设备，由直流电动机减速轴首先研究直接连接，这种结构是很简单的，但使各关节的轴向尺寸很大，对外形产生不利影响，同时还加大了传动设备的转动惯性，所以不会被采纳，使用特制的螺丝母就能有效处理这一难题。外骨骼系统的肘部转动θ3，其运动趋势构造如下图2-7。直流电动机和这种特制螺丝母的位置处于相同的水平，电动机是安装在大齿轮上面的，在直流电动机的推动下发生转动，在此基础上，利用连杆将螺丝与肘部的伸缩轨迹统一起来。当肩关节屈曲和外旋，内旋θ2，机器人肘关节2和3运动配合，以避免该机构和人的干涉。此方案的长处在于它的构造和合理，体小质轻。在设计该方案的时候，笔者使用的是由上海当地制造的永磁直流电动机，该设备的技术参数如下图所示： 图2-7 2.4机器人总体机械结构 零件选择是整体结构设计的必要条件，按照机器人的设计标准考虑，需要对组成成分进行调整，上肢的设计图如2-8所示，其六个主要组成部分是同速率传动系统、设备支架系统、上肢大臂构造、齿轮构造、螺丝螺母零部件和前臂构造。 图2-8 机械人结构示意图 2.5 本章小结 本章介绍了机器人的机构组成,进行了系统的总体设计。全面介绍论述了康复机器人的驱动程序设计方案，并选用了科学的方法进行验证，还对人的上肢构造以及外骨骼系统的穿戴设计构造进行了研究。 第3章 机器人的运动学分析 所谓的机器人运动学，从本质上分析，就是一种数量函数关系，阐释了它的空间位置的运动关系，对运动的机器人为中心的系统进行了研讨，力量大小和力矩长短与它们没有必然的关系。机器人的可变空间的综合性研究，还包含了机器人行动执行方位的关系。不仅如此，机构的分析，解析机构速度，加速度的分析活动，都是以此为基础的。 从本质上来讲，位置方程和运动学方程是相同的，它们都是对坐标体系的表示，正常情况下，机器人在各个坐标系统中的位置和系统底座信息数据之间存在着一定的关系，研究者使用这种方法对上述关系进行论述，可以使这种关系更加明确。在康复机器人系统中，各个关节的变量属于独立的状态，正常情况下，数量关系是通过参照系统来进行解释的，这种情况下，逆运动方法经常被运用到。 3.1 机器人的运动学正分析 本文所研究的外骨骼系统属于运动康复机器人，是不同型号的零部件构成的，可以在一定的空间内进行自由度的活动。对于这些零部件的介绍，笔者用到了物体空间位置关系数量方式。除此之外，还使用这种方式对机器人零部件的运动速度和运转动力数据关系进行探析。现如今，比较常用的就是齐次坐标矩阵法，该方法具有很高的稳定性，并且相对规范。这种方式还可以用于对机器人的操控方式进行分析，还可以处理收集到的图像资料。 3.1.1连杆坐标系及连杆参数的确定 确立了坐标体系，机器人的关节必须遵循相应的设计原则，即：和机器人的关节轴以及Z轴处于相同的直线坐标，它的肘关节和肩关节的连杆X轴相同，坐标系的三个轴间距可以用右手定律来表示。 图3-1 图3-2 机器人各关节的D一H坐标系图 在图3 - 1安装的康复机器人的整体构成方案，对其进行研究可知，根据结构参数的各机器人的关节坐标显示一样，通过对不同关节的构造数据进行分析，总结出了参数汇总表，如下表显示。 表3.1 三自由度机器人的关节参数表 3.1.2连杆变换和运动学方程 连杆坐标系（i）相对于（i-1）的变换i-1iT与ai-1，di，αi，这4个参数有关，连杆变换i-1iT的通式为： 通过对上表中的参数表进行分析可知，在不同的矩阵中，θi的各个参数并不是一成不变的。由图（3-1）我们可以计算出 10T, 21T, 32T的表达式如下所示： 将各连杆变换i-1iT（i=1,2,3）相乘，得到30T=10T 21 32T即 上面分别显示了此三个关节θ1, θ2, θ3的函数变量关系，全面的显示了机器人前臂坐标之间的关系，即机器人变换矩阵。 为所求运动学正解表达式。 做一种假设，那就是将坐标体系中的点当作外骨骼系统上臂的点，也就是坐标系统的{3}，点对应的数值用3P=[X3 Y3 Z3 1]T表示，在坐标系{0}下的其次坐标值表示0P=[X0 Y0 Z0 1]T,则有 把机器人如图3-2所示的位姿，即θ1=0°，θ2=0°，θ3=0°设备机器人的初始姿态，带入矩阵30T得 3.2机器人的运动学逆分析 运动学逆问题起着在机器人运动学，动力学和控制的研究中具有重要作用，直接影响到控制精度和速度。机器人手臂的运动学方程写为： 如果机器人末端位置已给出，n,o,a和P已知，则求关节变量θ1，θ2，θ3值称为运动学反解。下面使用反变换法，也被称为代数求解。 3.4本章小结 本章首先介绍用其次坐标变换来描述坐厂标之间的相对位置的方法，之后主要介绍了D-H法，用于创建关节连杆坐标系统，并在此基础上，设计了康复机器人的设计示意图，之后创建了它的运动分析数据模型，并且从正反两个方面对存在的问题进行了探讨，计算机器人末端在空间的运动速度，研究机器人运动学和控制的重要内容都包含以上所叙述,也为规划机器人的基础。 第4章 运动空间分析 工作空间的本质就是运用数学几何的方式，来探讨机器人的功能。工作空间的大小代表机器人的活动范围,它是评估机器人工作能力的一个重要的运动学指标。工作空间是在机器人的设计、控制及应用过程中,需要考虑的重要问题，此外,机器人机构的合理性也可以使用工作空间来进行评估。 4.1 工作空间的确定方法 工作空间一般存在两个基本问题：（1）我们要如何解决对于具有规定关节变量变化范围和一定结构形式或结构参数的机器人求解其工作空间,简称为工作空间分析或工作空间问题。（2）给出一定的工作空间,我们要如何确定机器人的结构形式、参数和关节变量的变化范围,称为机器人的综合或作空间的逆问题。 在该章节中，笔者主要分析了工作空间的正问题。有很多方法可以用于界定工作空间，比如数量解析法和图解法，前者具有较强的使用价值，后者的直观性较高，因此采用图解法研究机器人的工作空间的大小。用图解法求工作空间，得到的往往是工作空间的各类剖截面或剖截线,但它直观性强，便于和计算机结合起来，可以显示在可达点内机器人的构形特征。可将本课题设计的机器人前后两关节和中间关节分成两组,前两关节称之为位置结构,主要确定工作空间大小,后一关节称之为定向结构,主要确定机器人的位姿。以下步骤详细介绍了机器人工作空间的作图方法： 1、机器人结构限制分析 肩部屈伸杆件的结构限制是0°≤θ1≤90° 肘部屈伸杆件的结构限制是0°≤θ3≤120° 由肩部屈伸杆件和肘部屈伸杆件决定的平面绕轴旋转的结构限制是 -45°≤θ2≤45° 2、工作空间主截面图 首先确定初始点,取θ1=0°，θ3=0°时机器人末端参考点Pm为初始点,然后分段作图： （1）使θ3=0°不变，以O1为机械人坐标系{1}的原点，使θ1从0°到90°变化，得到圆弧CP1P2 。 （2）使θ1=0°不变，以O2为机械人坐标系{2}的原点，使θ3从0°到120°变化，得到圆弧CP1P4 。 （3）使θ1=90°不变，以O2为圆心，使θ3从0°到120°变化，得到圆弧CP2P3 。 （4）使0°＜θ1＜90°，θ3=120°时机器人末端参考点Pm到机器人坐标系{1}的原点O1的距离，集合关系如图4-2所示，可有余弦定理算得： 图4-2 求得机器人末端参考点Pm。工作空间轴截面是由上述四段圆弧的组成,如图4-3所示。 图4-3 3、局部环形旋转体剖面 0°＜θ2＜45°之间变化所形成的沿轴方向的环形旋转体剖面图形作出后,可根据作图过程写出各区段的曲线方程。如下表4.1 表4.1 工作空间轴界面曲线方程表 4.2关节杆长对工作空间的影响 在可穿戴上肢机器人运动时,肩高是固定不变的,而机器人末端参考点Pm工作空间的大小与机器人的各杆长有关系，下面分别分析了机器人的上臂体杆长a1和前臂体杆长L2的变化对机器人末端Pm。工作空间的影响。 当只有上臂体杆长a1变化时,工作空间变化如图4-4中所示,图中细实线表示杆长a1增加时的机器人工作空间,相对于原有空间有向左平移的趋势,细点画线表示体杆长a1减少时的机器人工作空间,相对于原有空间有向右平移的趋势,机器人工作空间基本没有变化,也就是说,该点可达位置在空间所占有的体积基本没有变化。 图4-4 当只有前臂体杆长L2变化时,工作空间变化如图4-5。图中细实线表示杆长L2增加时的机器人工作空间,相对于原有空间粗实线有向左平移且机器人工作空间将变大细点画线表示杆长L2减少时的机器人工作空间,相对于原有空间有向右平移且机器人工作空间将变小的趋势。 图4-5 所以，在相同变化时，上臂体杆长a1对机器人末端Pm几工作空间基本没有影响,而前臂体杆长L2对机器人末端Pm。工作空间会有较大的影响。 4.3本章小结 本章详细介绍了机器人工作空间的定义、工作空间的数学描述，对机器人工作空间的正问题所进行的研究，主要使用图解法，通过分析活动可知，机器人的工作空间区域受到关节连杆长短的影响。 40 第5章 总论与展望 5.1总结 在本文中，我们对三自由度机器人运动学进行了两个主要方面的分析。一方面，依照机器人学经典理论，对上肢康复机器人进行了探讨，完成了有关理论分析和计算，创建外骨骼系统的模型。除此之外，根据课题的要求和实际情况，针对于患者上肢功能的康复，笔者设计的机器人具有三个自由度，并且是可穿戴的，设计机器人的时候运用了PROE模型设计软件，在此基础上完成了仿真测试，主要做了以下几方面的工作 1、从可穿戴式上肢机器人的设计要求入手，在患者和机器人高度结合的前提下，按照机器人制造图纸，研制了机器人样机，全面介绍了机器人的工作原理和运行方式。 2、使用恰当的方式对外骨骼系统进行全面的研究，创建了运动模型，并总结了它的各项技术数据，在这种条件下，可以将笛卡尔坐标转化为关节系统，从而全面的分析外骨骼系统的各种问题，创建了雅克比矩阵，对机器人运行区域的正问题全面的研究，得出了机器人工作空间受到关节连杆长度影响的结论。 3、利用PROE软件对可穿戴式上肢康复机器人的进行了运动学仿真,得到了机器人的工作运行轨迹,同时在仿真中也可以实现对其运动学理论解的验证。 本文通过利用PROE建模后,对可穿戴式上肢康复机器人进行了运动仿真,验证了模型样机的合理性,取得了初步的成果。但还有很多研究工作要作,需要对可穿戴式机器人许多技术进行更深入的研究,仍有许多问题需要探讨： 1、 优化结构设计及电机选型以实现可穿戴式机器人的进一步减重，机器人的能耗尽管会降低，但是它的各项性能会全面的提升。 2、实际零部件加工装配完成后,需要将实验调试的结果与虚拟仿真的结果比较验证,同时进一步细化仿真模型有助于更好地用虚拟样机来模拟实际的机器人。 5.2 展望 5.2.1机构创新的展望 本文所设计的外骨豁式上肢康复机器人在机构上己经能满足上肢运动的基本功能需求，但结合到设备的使用性能以及用户体验等，仍有部分内容需要进 一步改进： 1、外骨豁穿戴式机器人已经成为当下上肢康复机器人的机构发展主流，设计出更加轻巧、便携尤其是方便穿戴的机械机构是该机器人机构发展的一个重要方向。设计出一套能自动调整执行机构尺寸及实现自动穿戴功能的设备是方便患者使用的一个重要发展趋势。 2、对于将要集成多种功能（主动、被动、镜像运动等康复功能）为一体的康复机器人，应该拥有一套可轻松互换的对称执行机构（一侧为健侧，一侧为患侧）。因此各关节处有必要设有关节离合器，同时为了提供更加安全旳环境，对于整体机构的功能执行可能需要设置一套总离合器。 3、对于系统传动中的摩擦损失情况可做进一步研究从而优化传动系统，同时可根据设计需要设计出更适合该系统传动的软管机构及选定相关材料。 5.2.2控制创新的展望 在过去技术手段不高的时期内，患者的部分运动机能丧失，为了尽快恢复，医生会花费大量的时间精力对患者进行辅导，帮助他们进行力量康复练习，患者的康复效果不好，有些治疗医生的训练方法不当，还有可能对患者造成更为严重的后果。使用这种传统康复手段，没有统一的考评制度方法来收集各项数据，没有好的办法来对训练活动实现改进优化，从而得到高质量的医治。对于康复机器人控制设计本文提出以下展望： 1、随着智能化触屏技术的普及和声控技术的成熟发展下，该类技术同样 可以运用在康复机机器人上。 2、对于该机器人，我们提出了具有自主训练和监护陪同训练两类训练方式。其中监护训练可分为专业医师指导操作训练和非专业人事协助训练；自主训练是患者在无其他人员陪同时自主操作设备实现自动穿戴和自主康复训练的训练式，自主康复训练模式包括指定康复模式选择、自主运动录制、双臂镜像运动等功能。 3、同时为了有效实现远程监控，需要对临床医师所裔要参考的康复数据力反馈或肌电信号等）进行有效提取及处理，方便医师进行康复评估以及及时制定合适的康复训练模式。从而有效促进实现远程监控和一对多的康复监控。因此针对提出哪些参数以及如何有效提取相关参数需要进一步结合临床医学及康复工程作深入研究。 4、设计趣味化康复模式。可针对康复训练内容设计出各种有趣的虚拟环 境来调动使用者的积极性，可开发相应的程序。对于今后的设备可发展为能直接连接手机端实现智能化、多端口联合监控 致谢 这次毕业设计在指导我的老师的教育下，同学的帮助下得以顺利完成，并非我一人之功劳。在这里，我要给他们表示我最真诚的谢意，是他们不仅让我完成了设计，还让我学到了许多书本上都学不到的东西，同时也给我提供了充足完备的学习条件和宝贵的交流机会，真是受益匪浅。从课题的选定到设计的顺利完成，都是我的导师热情指导和点拨的，是您的潜移默化让我对设计有了全新的认识。可以说没有您的帮助，我的设计是没有办法很好完成的。您的治学严谨的作风对我产生了很大的影响，这对我是一种很好的熏陶，对我以后的学习和生活都有很大的帮助。 本论文从定题到搜集资料，再到开题、撰写、修改、直至最终定稿，我的导师严格要求、循循善诱，注入了大量的心血，我在此由衷地感谢老师给予的耐心指导和无私地奉献。这几年的学习生涯中，老师治学严谨、做事认真的工作态度，孜孜教诲、无私奉献的作风以及勇于创新的精神令我受益匪浅。 感谢班级指导员，是他们给予我学习和生活中的引导，从而使我顺利完成学业，保持一颗积极向上的心态。感学学院的书记是他们在思想上给予我指导，使我始终保持政治思想上的先进性，不断学习进步。 感谢班级所有同学。几年来大家一起学习生活，一起参加班级集体活动，形成了一个团结、友爱、互相帮助的集体，这将是我人生最难忘的一段学习经历。 最后，特别感谢我的家人多年来对我的支持和为此做出的巨大牺牲，是他们在物质和精神上的长期支持、鼓励和无限的关爱支撑着我。四年的求学生涯，我学到了许多东西，不仅仅在学习和科研上，在其他的很多方面我都上了一个新的台阶。在论文完成之际，谨向所有关心、帮助、支持过我和对我有所期待的亲人朋友们致以最诚挚的谢意！ 参考文献 【1】吕广明,孙立宁,彭龙刚康复机器人技术发展现状及关键技术分析哈 尔滨工业大学学报。2004（9）：1224-1227页 【2】胡宇川,季林红从医学角度探讨偏瘫上肢康复训练机器人的设计中国 临床康复，2004，8（34）11一18页 【3】金德闻,季林红,张济川康复工程研究的新进展中国康复医学杂志2001,16（6），34-39 页 【4】张付祥,付宜利,王树国康复机器人研究进展河北工业科技。2005，22（5）24-29页 【5】杜志江，孙立宁，富历新医疗机器人发展概况综述机器人。2003，25（2）182-187 【6】丑武胜王田苗医用机器人与数字化医疗仪器设备的研究与发展机器人技术与应用，2003，（4）：7-11 【7】王耀兵，季林红，黄靖远脑卒中偏瘫患者肩关节辅助治疗设备的设计研究中国临床康复，2004,8（25）：5212-5213 【8】韩雯，常钩现代康复工程的发展概述医疗装备，2007,20（4）：13-15 【9】张子明.中风临床指南[M] .北京:中国医药科技出版社.1993. 【10】李宏伟.脑卒中患者恢复期的运动疗法[J].福建体育科技.2002,21(4):38-40. 【11】刘攀峰.三自由度上肢康复机器人研制[D].东南大学.2009. 【12】呼昊.3DOF可穿戴式上肢康复机器人结构设计及仿真研究[D].哈尔滨工程大学.2008. 【13】王东岩.外骨骼式上肢康复机器人及其控制方法研究[J].哈尔滨工程大学学报,2007,28. 【14】李红玲,郭力,宋兰欣等.老年脑卒中偏瘫早期康复疗效观察[J].中国康复医学杂志.1999.