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課題：上肢康復機器人設計 學生姓名 XXXXXX 學 號 XXXXXX 所在學院 XXXXXX 專 業(yè) XXXXXX 班 級 XXXXXX 指導教師 XXXXXX 摘要 外骨骼系統(tǒng)由多個與人體關節(jié)相似的關節(jié)組成的機械系統(tǒng)，通過與人體相連接而發(fā)揮功能，屬于機器人的范疇，對其進行的研究活動就屬于機器人研究領域分支。該系統(tǒng)能有效幫助身患殘疾運動不便的人恢復運動能力，因為患者使用操作該系統(tǒng)，與身體之間能傳遞體力，一定程度上可以增強運動能力。 筆者在文中對人體上肢運動進行了全面的分析，主要是從實用性方面來進行的。筆者運用專業(yè)知識設計了一款可以依附于人體的上肢機器人，它能實現(xiàn)自由的轉動，非常符合身體上肢的運動需求，便于人體的穿戴。通過深入分析可知，在設計該款機器人的時候，使用了D-H方法，它屬于連桿坐標系里的。依次為基礎，創(chuàng)建了該款機器人的連桿坐標系圖，并以此為基礎，設計了機器人運動模型。除此之外，還對機器人運動的正逆問題進行了分析，推導除了的雅可比矩陣。當計算出機器人速率的前提下，使用該矩陣就能推算出它的尾端運動水平。機器人的工作空間受到連桿長度以及空間尺寸的影響，得出該結論，使用過使用圖解法對其空間進行分析做出的。一般情況下，設計人員都是利用proe設計軟件，來創(chuàng)建機器人系統(tǒng)結構模型。為了獲取它的運動軌跡數(shù)據(jù)，設計者會進行仿真練習。除此之外，筆者還深入研究了機器人不同關節(jié)的相關信息，以此為基礎，繪制了關節(jié)的位置以及運動速度曲線。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)的科學性，為之后的專業(yè)性研究奠定了理論基礎。 關鍵詞：proe 、康復設備、可穿戴式機器人、運動學分析 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主要研究內容 12 第2章機器人總體結構設計 13 2.1機器人的設計要求及原理 13 2.1.1人體上肢運動分析 13 2.1.2機器人設計原理 14 2.2機械人總體方案的設計 15 2.3 機器人驅動方案設計 17 2.3.1 驅動方式的選擇 17 2.3.2驅動方案的設計 17 2.4機器人總體機械結構 21 2.5 本章小結 22 第3章機器人的運動學分析 23 3.1 機器人的運動學正分析 23 3.1.1連桿坐標系及連桿參數(shù)的確定 23 3.1.2連桿變換和運動學方程 25 3.2機器人的運動學逆分析 27 3.4本章小結 30 第4章運動空間分析 31 4.1 工作空間的確定方法 31 4.2關節(jié)桿長對工作空間的影響 33 4.3本章小結 35 第5章總論與展望 36 5.1總結 36 5.2 展望 37 5.2.1機構創(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 40 緒論 1.1研究背景與意義 最近幾年，電子技術發(fā)展迅速，通過與結構學的相結合，研制出了機器人，成為現(xiàn)代科技的重要標志，在機電科學領域屬于高端科研成果?？茖W家為了研制出機器人，綜合運用了電子信息、自動化以及機械設計等各個專業(yè)研究領域的現(xiàn)金研究成果?，F(xiàn)如今，專用于醫(yī)學方面的機器人技術有了突飛猛進的發(fā)展，這主要得益于與之相關的工程機械學、生物技術、電子信息技術、電腦職能技術以及其他與之相關的領域專業(yè)知識研究成果層出不窮，這些學科專業(yè)知識的發(fā)展，有力的推動了醫(yī)療專用機器人設備的發(fā)展。為了在醫(yī)療診斷和患者康復方面，工作水平有進一步的提高，科學家通過對不同學科最新研究成果的研究和分析，設計了機器人。最為常見的就是輔助病人身體康復的機器人，這類機器人的主要功能是幫助病人恢復運動功能，對傷害的肢體進行矯正。醫(yī)用康復機器人分為兩類，最主要的、使用最廣泛的就是輔助機器人，它的主要使用者是年老體弱者或身有殘疾者，能充當肢體發(fā)揮部分運動功能，從而能基本應對平常的生活工作需要。 全球范圍內，不少國家已經(jīng)步入老齡化社會，聯(lián)合國相關部分的數(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害產(chǎn)生的殘疾人數(shù)量也會激增，他們必須有專人服務，才能繼續(xù)生活下去?，F(xiàn)在所研制的醫(yī)用機器人，一方面能幫助他們應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?，F(xiàn)如今，醫(yī)用機器人主要包括肢體矯形器、運動假肢等四類的產(chǎn)品，將工學知識與醫(yī)學理論高度融合起來。醫(yī)學理論和工科知識相融合，研制出了肢體康復機器人。因為研究的時間不長，與上肢康復機器人相比，技術還不是很成熟，產(chǎn)品種類也不多，只能在人體的部分關節(jié)使用，幫助手腕等關節(jié)恢復健康。另外，因為它是獨立制作的，與人體手臂關節(jié)的配合度還不是很高，影響到了使用者的最佳體驗。因為國內產(chǎn)品技術水平不高，為了滿足實際的應用需要，我國從國外花高價購買了大量醫(yī)療輔助設備?？偠灾?，科技的發(fā)展日新月異，用于醫(yī)用輔助設備研究的技術發(fā)展迅速，很多專業(yè)組織機構必然會加強該領域的研究，這就推動了醫(yī)用輔助設備國產(chǎn)化的發(fā)展趨勢。 外骨骼系統(tǒng)屬于機器人學的重要組成部分，它與我們理解的一般機器人有很大的不同。該輔助系統(tǒng)與人的身體關節(jié)有很大的相似性，在工作的時候會仿照人體運動形態(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)，患者的運動能力大為提升，具備了能完成之前認為不可能完成的工作；它的抗阻性不高，對于使用者的正?；顒硬粫a(chǎn)生很大的影響；它的接口設計的非常合理，使用者在運用的時候，會感覺輕松自如，使用體驗上佳，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，實現(xiàn)了人體和外骨骼系統(tǒng)的有機統(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，在患者運動能力康復過程中，外骨骼發(fā)揮的作用是巨大的。在該研究領域當中，研究人員通過使用對其評估結果，對患者的運動機能的提升方面的研究，已經(jīng)成為核心內容。 課題的目的是設計一種上肢康復外骨骼機器人,通過可穿戴式外骨骼帶動患者的患肢運動,模擬日常生活中的手臂運動規(guī)律，實現(xiàn)手臂各關節(jié)的運動，加大對肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)的鍛煉強度，確保該系統(tǒng)和人體的高度統(tǒng)一，從而達到最優(yōu)康復訓練效果。 1.2國內外研究現(xiàn)狀及分析 從二十世紀六十年代開始，專家學者們就將機器人技術應用到了患者身體運動機能，雖然取得一定的進步，但是該類機器人只是發(fā)展緩慢。到20世界80年代后，隨著計算機飛速發(fā)展，康復機器人的研究與開發(fā)開始得到絕大多數(shù)人的注意。直到步入 21 世界康復機器人走進了發(fā)展的黃金時期，各種各樣的機器人如雨后春筍般出現(xiàn)，甚至一些機器人已經(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 外國對機器人的研究開始比較早，從1991年開始，麻省理工學院設計MIT-MANUS上肢機器人系統(tǒng)，它屬于連桿類型的機器人，主要是對患者的肩膀和肘部進行恢復性治療。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)在幫助患者恢復運動能力方面具有顯著的作用。此外，該系統(tǒng)可以通過人機交互界面可以直接準確測量患者手臂的平面運動參數(shù)。 圖1-1 在瑞士蘇黎世大學 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 的外骨骼上肢康復機器人系統(tǒng)設備，如圖 1-2所示。它是由輪椅進行固定的，有六個節(jié)點可以進行調整角度，可以實現(xiàn)肘關節(jié)的屈伸運動，肩關節(jié)的 3 個自由度以及腕部的屈伸運動?；颊呖梢愿鶕?jù)自己的需求，運用操控系統(tǒng)設置符合現(xiàn)狀的運動方式。為了檢測患者康復運動的狀態(tài)，我們在機器人各關節(jié)處安裝了位置傳感器和力傳感器，以此來提高保證訓練的安全性。除此之外，機器人還可以根據(jù)患者的上肢尺寸進行自我調節(jié)。 （a）第一代 （b）第二代 圖 1-2 2006 年，華盛頓大學的 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機器人系統(tǒng)，如圖 1-3所示。該機器人采用電機控制，控制肘部和腕部的滑輪和線纜組成的傳動機構完成規(guī)定的康復訓練要求，同時該機器人系統(tǒng)大量結合了正常人肢體日常所需的運動學參數(shù)，動力學參數(shù)，工作空間，關節(jié)運動范圍等，并且符合人體工學的設計要求。 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訓練機器人技術，我國在該領域的研究開始的晚，研究水平不高，形成產(chǎn)品化的機器人少之又少。隨著我國經(jīng)濟實力的增強，國內許多研究機構開始重視外骨骼式康復機器人的研究，所取得的研究成果也非常多，并逐步縮小與發(fā)達國家之間的距離。2007 年，清華大學的王東巖教授，經(jīng)過多年的試驗研究，設計出了立式外骨骼上肢康復機器人系統(tǒng)，該機器人采用電機驅動方式，可以實現(xiàn)肩部的伸屈、外展內收，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，華中科技大學吳軍等人研制了一種基于氣動肌肉的雙向對拉驅動方式的外骨骼上肢康復機器人，如圖 1-5所示。該機器人通過氣動方式可以實現(xiàn)患者肩關節(jié)的轉動和伸屈，以及肘關節(jié)的伸屈。在采用氣動肌肉的方式可以增加機器人的柔順性，減少剛性結構對患者的損傷，并且可以使康復訓練滿足日常生活的訓練強度。 圖1-5 2011 年,上海交通大學和 CAD 模具聯(lián)合中心共同開發(fā)設計的外骨骼上肢康復機器人如圖 1-10所示。該機器人在機械機構設計上設計了 7個自由度，可以實現(xiàn)肩關節(jié)的三個自由度，肘關節(jié)兩個自由度以及腕關節(jié)兩個自由度。機器人安裝在一個座椅上，并通過可調節(jié)裝置更好滿足患者的訓練要求。除此之外，該機器人還提供了重力補償功能，以提高訓練的安全性。 圖1-10 1.2.3存在的問題 在上文中提到的外骨骼系統(tǒng)，不僅在國內外都處于該領域的領先位置,而且有的已經(jīng)應用于臨床的康復治療之中,甚至已經(jīng)產(chǎn)品化了投向市場了。但是，通過上述的分析，他們仍然存在著一些問題： （1）現(xiàn)有的機器人大多數(shù)將上肢結構和手指結構分開進行設計，只是針對部分關節(jié)進行康復訓練，沒有考慮到整個上肢的訓練要求。手是人體比較精細的機構，微小空間內神經(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，且治療過程和康復周期時間相對較長。通常情況下，上肢偏癱患者運動功能恢復是從肩部開始，手指是往往是最后恢復的。因此，在醫(yī)學界，一些醫(yī)院將手指的運動功能恢復情況作為上肢康復情況的標準。所以在機器人結構設計時要考慮將上肢與手指進行結合。 （2）通過上述機器人可以看到，大多數(shù)機器人結構比較龐大，不具有便攜性，而且患者在家中不便于進行康復訓練，這對患者的康復也會起到一些負面作用。一些機器人將執(zhí)行機構和驅動機構分開，不僅增大了系統(tǒng)體積，而且降低了機器人的集成度。除此之外，機器人結構復雜，這導致機器人不具有輕便性，患者穿戴在身上還要克服較大的機構重量，這降低了康復訓練的安全性。 （3）大多數(shù)機器人沒有將人體的生理信號與控制信號進行結合，除了采用了表面肌電信號，應該還要對患者腦電信號進行分析。因為中風主要來自于腦神經(jīng)的受損，對腦電信號的分析有助于評價患者的康復情況和執(zhí)行高效的康復訓練。采用腦電信號和表面肌電信號結合的辦法可以指定一套科學的康復評價體系。 （4）在機器人的設計和運動時，沒有考慮到機器人對患者的力學影響，這使得機器人在執(zhí)行運動時容易對患者的關節(jié)進行二次損傷，不利于患者的康復。 （5）大多數(shù)機器人沒有將虛擬現(xiàn)實技術融入系統(tǒng)之中，降低了康復訓練的趣味性，容易使患者產(chǎn)生心理疲勞，降低其對于康復的積極性，影響康復的效果。 1.3主要研究內容 手臂外骨骼康復系統(tǒng)是此次課題開發(fā)和研制的最終目的。使用該套系統(tǒng)，可以幫助患者實現(xiàn)各種角度的運動，主要有頸部的旋轉、肘部的伸縮以及肩部的上下運動。要查閱大量的專業(yè)性資料，并對機器人方面的專業(yè)知識有全面的了解，只有這樣才能熟悉機器人的發(fā)展現(xiàn)狀。通過借鑒國內外專家學者在該領域的研究成果，筆者做了相應的集成和創(chuàng)新發(fā)展。在下文中，要做的工作內容如下： 1、機器人的總體方案設計 筆者在設計機器人的時候，對身體上肢運動原理進行了深入的研究，主要是適應人體的舒適性。通過對人體的構成要素和在穿戴方面的需要，對機器人的構成部分進行適當?shù)恼{整，并在此基礎上對系統(tǒng)設計方法進行改進。 2、機器人運動學分析 我們首先建立了運動學方程，通過運動知識的正逆算法，經(jīng)過分析總結出機器人運動屬性，最終設計它的雅可比矩陣。 3、工作空間分析 在對機器人正問題進行分析并尋求解決之策的時候，用到的是圖解法，分析并總結出了它的活動區(qū)域和連接桿長度對機器人運行區(qū)域會產(chǎn)生影響的答案。  第2章 機器人總體結構設計 這一章節(jié)的主要內容是分析上肢的運動原理，在此基礎上總結出機器人和患者結合的特點，設計了全新的數(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)揮機器人在患者上肢機能康復方面的作用。除此之外，還要對人體的結構和穿戴性進行深入分析，介紹機器人的構造內容和運行方式。 2.1機器人的設計要求及原理 2.1.1人體上肢運動分析 對人體上肢進行測量的時候，所選用的標準要對每個患者的身體上肢尺寸相適應，根據(jù)個人的身體的各部位尺寸的不同，來選擇合適的標準。為了研究人們身體的特性，根據(jù)工業(yè)設計和工程設計對人體測量數(shù)據(jù)的要求，來進行設計。從1989年7月開始，我國制定了統(tǒng)一的標準，來對身體進行測量。標準包括7個內容，人類的身體的大小的數(shù)據(jù)基礎進行計算，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動作了充分的了解，從而設計出了能幫助殘疾人完成日常行為的人體幾肢康復系統(tǒng)。在當前的環(huán)境中，所收集到的數(shù)據(jù)準確性很高，能廣泛應用于不同環(huán)境，是很有難度的。這主要是因為上肢活動靈活，運動性較高，與之相關的關節(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，對其運動方式的研究，只能運用實用性的角度進行。 圖2-1 人類的上肢主要是由肩關節(jié)、手臂、肘部、手腕和手組成的。肩關節(jié)連接了人體和上臂，前臂的肘關節(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，運動關系復雜，所以一般不在此進行分析。除了人體手部活動之外，為了完成生活過程中的一些動作，需要關節(jié)活動主要有：肩關節(jié)的彎曲、擴展、回內、內轉、外面擺放，肘部彎曲、伸展，前臂內自旋、手關節(jié)彎曲伸展、內轉等。在對人類身體的上肢進行分析的時候，都會使用這些自由度創(chuàng)建模型，如下圖表示。 設計康復機器人的構造非常困難，因為它體小很輕。在制造這種錫系統(tǒng)的時候，要想提高一個自由度，設計和制造的機械的復雜性、難度和成本都是原來的兩倍。所以，在充分滿足患者實際需要的前提下，要盡量減少機器人的自由度，從而建立一個新的運動模型。 2.1.2機器人設計原理 在本課題設計中，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，使用該機器人能幫助患者進行上面三種類型的活動。使用本文研制的機器人，為滿足患者的生活實際需要，并確保安全穩(wěn)定，患者的肘關節(jié)伸展角度最大為154°，肩關節(jié)伸展的角度最大分別為60°和180°；內外旋轉的最大角度分別是95°和80°。通常情況下，會將機器人肘關節(jié)的活動角度控制在120度之內。 患者的受到機器人的控制，這是在結構設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，康復訓練的機器人可以不與患者有直接的肢體接觸，設計的時候，關肢上的大牽引力并沒有發(fā)生，四肢固定機構支持患者使用構造機器人進行康復訓練。為保證肢體的柔軟性，必須對機器人進行全面的精細檢查，可以考慮的是外骨骼是與人體進行高度的結合，從而產(chǎn)生運動的定力，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機械人總體方案的設計 設計人員在研制手臂外骨骼系統(tǒng)使用目標的時候，選取身高為175.4cm的成年男子為對象，體重為七十一公斤，選取對應的尺寸數(shù)據(jù)來進行設計，設計方案如下： 圖2-2 該類型的機器人使用的是關節(jié)型構造，這種形式的機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。這種形式的機器人構造內部，肩部是兩個自由度，肘關節(jié)是一個自由度，這里面（1）肩關節(jié)的伸縮軌跡為θ1，（2）肩關節(jié)旋轉的區(qū)域為θ2，構成的肩部具有兩個自由度；伸縮運動的肘部具有一個自由度，它們的自由度分布圖如下所示。設計人員還在外骨骼系統(tǒng)上面安裝了編碼設備以及操作設備，收集運動信息內容，從而實現(xiàn)機器人運動屬性的增強。筆者所設計的機器人是由高強度的鋁合金構成的，機器人一方面要便于患者創(chuàng)帶，另一方面，這種材質非常輕，能有效減輕患者的負重。按照標準，該機器人的總重量為七公斤。 圖2-3 筆者將機器人的各項參數(shù)設置如下，主要目的是適應患者生活工作的需要，能方便穿戴。 肩部的屈/伸關節(jié)： 30°/s 5 r/min 肩部外/內旋關節(jié): 30°/s 5 r/min 肘關節(jié): 60°/s 10 r/min 各關節(jié)轉動范圍: 肩部的屈/伸關節(jié): θ1= 0°～90° 肩部外/內旋關節(jié): θ2=-45°～45° 肘關節(jié): θ3= -0°～120° 2.3 機器人驅動方案設計 對機器人設計的最初的考慮，根據(jù)應用的要求簡化信賴性和機構結構。我們確定了整體設計，對零部件的選擇，要充分考慮機構的穩(wěn)定性和結構簡單?？偠灾疚乃O計的機器人工作轉臺穩(wěn)定，維護成本低，操作簡單。 2.3.1 選取合適的驅動方式 機器人不僅受限于環(huán)境，我們要考慮價格因素的影響，只有這樣才能達到高技術水平?，F(xiàn)在，機器人的驅動方式是以油壓驅動為中心，還有空壓和電力驅動。以下三種驅動模式的優(yōu)缺點分析如下：驅動油壓系統(tǒng)的壓力提供更大的驅動力，穩(wěn)定性較好，快速的響應速度、高定位精度和剛性。作為缺點，復雜的油壓系統(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)點結構簡單，行動快速，能適應嚴酷的工作環(huán)境。缺點就是精度不高，需要提高，空氣機器的噪聲較大，這就需要使用合適的控制手段來提升馬達驅動系統(tǒng)的功能。綜上所述，我們在設計機器人的時候，使用的是馬達驅動模式。 作為機器人的驅動部件可以選擇直流伺服馬達，還可以選擇步進馬達。下面是對這兩種電機優(yōu)缺點的分析：使用步進電機，在不了解位置信息的前提下，就能實現(xiàn)對開環(huán)位置的確定，可控性好，但是機器人的驅動所必要的扭矩，是根據(jù)馬達的尺寸和重量的大小的前提，會對機器人結構產(chǎn)生不利影響。如果扭矩小的馬達在減速機的后面，會大大降低速度，輸出速度也會降低，從而不利于機器人的正常運行；因為具有較快的慣性響應速度、緊湊的結構，超負荷能力強，所以通過位置的反饋來達到精度。綜上所述，我們將作為驅動單元選擇直流伺服馬達。一般直流電動機減速、光電式編碼，構成了伺服單元，用戶可以根據(jù)他們自身的需求選擇。 2.3.2驅動方案的設計 機器人的肩膀關節(jié)θ1彎曲伸展的驅動方式如下圖。支持系統(tǒng)上設置的馬達考慮到減速機以及同期的牙齒，實現(xiàn)肩關節(jié)繞軸旋轉。使用這種方式的優(yōu)點是，發(fā)動機的重量不會超重，發(fā)動機和肩膀的高度配置相當，實現(xiàn)結構的緊湊化，提升布局的合理性。 圖2-4 根據(jù)設計要求肩關節(jié)處的最大驅動力矩： 選用上海新寬科技稀土電機有限公司生產(chǎn)的50SYX-02型直流伺服永磁 稀土電機,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的轉速較高、轉矩小，所以應該在驅動電機和機器人臂之間添加減速機構。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，高達百分之九十八。同步使用牙齒皮帶的固體，在這個安裝康復機器人的時候，馬達低負荷速率運行，轉速為每分鐘三前轉，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 機器人系統(tǒng)所要負荷的是肩膀外旋內旋θ2和肘部彎曲擴展的運動θ3驅動系統(tǒng)，外形比較小，構造緊密。小型輕量構成。機器人的肩膀外旋旋θ2是在特定的設計中，在傳達上比較傾向于直流電力驅動的小型電動機，使用這種傳動帶，能實現(xiàn)1:10的齒輪變速器的運動，實現(xiàn)肩關節(jié)內外旋θ2。該類型關節(jié)的驅動示意圖如2-5表示。直流伺服電機的臂本體嚴重依賴于減速機的驅動，大齒輪安裝在上臂中，在小齒輪的傳動作用下，空套會繞上臂進行旋轉，使得機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。大齒輪的立體構造結構如下圖所示。因為大齒輪和機器人的前臂是連接起來的，當齒輪發(fā)生轉動的時候，機器人的前臂肯定也會發(fā)生轉動，最終推動手臂在機器人前臂的帶動下發(fā)生轉動。在設計機器人的時候，使用的是型號為50SYX-4的直流電動機，該電機的主要技術數(shù)據(jù)如表2.4顯示。 圖2-6 表2.4 50YSX-40基本性能參數(shù) 在肘關節(jié)肘θ3伸縮的時候，使用的是各種類型的驅動設備，由直流電動機減速軸首先研究直接連接，這種結構是很簡單的，但使各關節(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備的轉動慣性，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)的肘部轉動θ3，其運動趨勢構造如下圖2-7。直流電動機和這種特制螺絲母的位置處于相同的水平，電動機是安裝在大齒輪上面的，在直流電動機的推動下發(fā)生轉動，在此基礎上，利用連桿將螺絲與肘部的伸縮軌跡統(tǒng)一起來。當肩關節(jié)屈曲和外旋，內旋θ2，機器人肘關節(jié)2和3運動配合，以避免該機構和人的干涉。此方案的長處在于它的構造和合理，體小質輕。在設計該方案的時候，筆者使用的是由上海當?shù)刂圃斓挠来胖绷麟妱訖C，該設備的技術參數(shù)如下圖所示： 圖2-7 2.4機器人總體機械結構 零件選擇是整體結構設計的必要條件，按照機器人的設計標準考慮，需要對組成成分進行調整，上肢的設計圖如2-8所示，其六個主要組成部分是同速率傳動系統(tǒng)、設備支架系統(tǒng)、上肢大臂構造、齒輪構造、螺絲螺母零部件和前臂構造。 圖2-8 機械人結構示意圖 2.5 本章小結 本章介紹了機器人的機構組成,進行了系統(tǒng)的總體設計。全面介紹論述了康復機器人的驅動程序設計方案，并選用了科學的方法進行驗證，還對人的上肢構造以及外骨骼系統(tǒng)的穿戴設計構造進行了研究。  第3章 機器人的運動學分析 所謂的機器人運動學，從本質上分析，就是一種數(shù)量函數(shù)關系，闡釋了它的空間位置的運動關系，對運動的機器人為中心的系統(tǒng)進行了研討，力量大小和力矩長短與它們沒有必然的關系。機器人的可變空間的綜合性研究，還包含了機器人行動執(zhí)行方位的關系。不僅如此，機構的分析，解析機構速度，加速度的分析活動，都是以此為基礎的。 從本質上來講，位置方程和運動學方程是相同的，它們都是對坐標體系的表示，正常情況下，機器人在各個坐標系統(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系，研究者使用這種方法對上述關系進行論述，可以使這種關系更加明確。在康復機器人系統(tǒng)中，各個關節(jié)的變量屬于獨立的狀態(tài)，正常情況下，數(shù)量關系是通過參照系統(tǒng)來進行解釋的，這種情況下，逆運動方法經(jīng)常被運用到。 3.1 機器人的運動學正分析 本文所研究的外骨骼系統(tǒng)屬于運動康復機器人，是不同型號的零部件構成的，可以在一定的空間內進行自由度的活動。對于這些零部件的介紹，筆者用到了物體空間位置關系數(shù)量方式。除此之外，還使用這種方式對機器人零部件的運動速度和運轉動力數(shù)據(jù)關系進行探析。現(xiàn)如今，比較常用的就是齊次坐標矩陣法，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器人的操控方式進行分析，還可以處理收集到的圖像資料。 3.1.1連桿坐標系及連桿參數(shù)的確定 確立了坐標體系，機器人的關節(jié)必須遵循相應的設計原則，即：和機器人的關節(jié)軸以及Z軸處于相同的直線坐標，它的肘關節(jié)和肩關節(jié)的連桿X軸相同，坐標系的三個軸間距可以用右手定律來表示。 圖3-1 圖3-2 機器人各關節(jié)的D一H坐標系圖 在圖3 - 1安裝的康復機器人的整體構成方案，對其進行研究可知，根據(jù)結構參數(shù)的各機器人的關節(jié)坐標顯示一樣，通過對不同關節(jié)的構造數(shù)據(jù)進行分析，總結出了參數(shù)匯總表，如下表顯示。 表3.1 三自由度機器人的關節(jié)參數(shù)表 3.1.2連桿變換和運動學方程 連桿坐標系（i）相對于（i-1）的變換i-1iT與ai-1，di，αi，這4個參數(shù)有關，連桿變換i-1iT的通式為： 通過對上表中的參數(shù)表進行分析可知，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節(jié)θ1, θ2, θ3的函數(shù)變量關系，全面的顯示了機器人前臂坐標之間的關系，即機器人變換矩陣。 為所求運動學正解表達式。 做一種假設，那就是將坐標體系中的點當作外骨骼系統(tǒng)上臂的點，也就是坐標系統(tǒng)的{3}，點對應的數(shù)值用3P=[X3 Y3 Z3 1]T表示，在坐標系{0}下的其次坐標值表示0P=[X0 Y0 Z0 1]T,則有 把機器人如圖3-2所示的位姿，即θ1=0°，θ2=0°，θ3=0°設備機器人的初始姿態(tài)，帶入矩陣30T得 3.2機器人的運動學逆分析 運動學逆問題起著在機器人運動學，動力學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。機器人手臂的運動學方程寫為： 如果機器人末端位置已給出，n,o,a和P已知，則求關節(jié)變量θ1，θ2，θ3值稱為運動學反解。下面使用反變換法，也被稱為代數(shù)求解。 3.4本章小結 本章首先介紹用其次坐標變換來描述坐廠標之間的相對位置的方法，之后主要介紹了D-H法，用于創(chuàng)建關節(jié)連桿坐標系統(tǒng)，并在此基礎上，設計了康復機器人的設計示意圖，之后創(chuàng)建了它的運動分析數(shù)據(jù)模型，并且從正反兩個方面對存在的問題進行了探討，計算機器人末端在空間的運動速度，研究機器人運動學和控制的重要內容都包含以上所敘述,也為規(guī)劃機器人的基礎。 第4章 運動空間分析 工作空間的本質就是運用數(shù)學幾何的方式，來探討機器人的功能。工作空間的大小代表機器人的活動范圍,它是評估機器人工作能力的一個重要的運動學指標。工作空間是在機器人的設計、控制及應用過程中,需要考慮的重要問題，此外,機器人機構的合理性也可以使用工作空間來進行評估。 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)定關節(jié)變量變化范圍和一定結構形式或結構參數(shù)的機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,我們要如何確定機器人的結構形式、參數(shù)和關節(jié)變量的變化范圍,稱為機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，前者具有較強的使用價值，后者的直觀性較高，因此采用圖解法研究機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，便于和計算機結合起來，可以顯示在可達點內機器人的構形特征。可將本課題設計的機器人前后兩關節(jié)和中間關節(jié)分成兩組,前兩關節(jié)稱之為位置結構,主要確定工作空間大小,后一關節(jié)稱之為定向結構,主要確定機器人的位姿。以下步驟詳細介紹了機器人工作空間的作圖方法： 1、機器人結構限制分析 肩部屈伸桿件的結構限制是0°≤θ1≤90° 肘部屈伸桿件的結構限制是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的結構限制是 -45°≤θ2≤45° 2、工作空間主截面圖 首先確定初始點,取θ1=0°，θ3=0°時機器人末端參考點Pm為初始點,然后分段作圖： （1）使θ3=0°不變，以O1為機械人坐標系{1}的原點，使θ1從0°到90°變化，得到圓弧CP1P2 。 （2）使θ1=0°不變，以O2為機械人坐標系{2}的原點，使θ3從0°到120°變化，得到圓弧CP1P4 。 （3）使θ1=90°不變，以O2為圓心，使θ3從0°到120°變化，得到圓弧CP2P3 。 （4）使0°＜θ1＜90°，θ3=120°時機器人末端參考點Pm到機器人坐標系{1}的原點O1的距離，集合關系如圖4-2所示，可有余弦定理算得： 圖4-2 求得機器人末端參考點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)形旋轉體剖面 0°＜θ2＜45°之間變化所形成的沿軸方向的環(huán)形旋轉體剖面圖形作出后,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關節(jié)桿長對工作空間的影響 在可穿戴上肢機器人運動時,肩高是固定不變的,而機器人末端參考點Pm工作空間的大小與機器人的各桿長有關系，下面分別分析了機器人的上臂體桿長a1和前臂體桿長L2的變化對機器人末端Pm。工作空間的影響。 當只有上臂體桿長a1變化時,工作空間變化如圖4-4中所示,圖中細實線表示桿長a1增加時的機器人工作空間,相對于原有空間有向左平移的趨勢,細點畫線表示體桿長a1減少時的機器人工作空間,相對于原有空間有向右平移的趨勢,機器人工作空間基本沒有變化,也就是說,該點可達位置在空間所占有的體積基本沒有變化。 圖4-4 當只有前臂體桿長L2變化時,工作空間變化如圖4-5。圖中細實線表示桿長L2增加時的機器人工作空間,相對于原有空間粗實線有向左平移且機器人工作空間將變大細點畫線表示桿長L2減少時的機器人工作空間,相對于原有空間有向右平移且機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對機器人末端Pm。工作空間會有較大的影響。 4.3本章小結 本章詳細介紹了機器人工作空間的定義、工作空間的數(shù)學描述，對機器人工作空間的正問題所進行的研究，主要使用圖解法，通過分析活動可知，機器人的工作空間區(qū)域受到關節(jié)連桿長短的影響。 42 第5章 總論與展望 5.1總結 在本文中，我們對三自由度機器人運動學進行了兩個主要方面的分析。一方面，依照機器人學經(jīng)典理論，對上肢康復機器人進行了探討，完成了有關理論分析和計算，創(chuàng)建外骨骼系統(tǒng)的模型。除此之外，根據(jù)課題的要求和實際情況，針對于患者上肢功能的康復，筆者設計的機器人具有三個自由度，并且是可穿戴的，設計機器人的時候運用了PROE模型設計軟件，在此基礎上完成了仿真測試，主要做了以下幾方面的工作 1、從可穿戴式上肢機器人的設計要求入手，在患者和機器人高度結合的前提下，按照機器人制造圖紙，研制了機器人樣機，全面介紹了機器人的工作原理和運行方式。 2、使用恰當?shù)姆绞綄ν夤趋老到y(tǒng)進行全面的研究，創(chuàng)建了運動模型，并總結了它的各項技術數(shù)據(jù)，在這種條件下，可以將笛卡爾坐標轉化為關節(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，對機器人運行區(qū)域的正問題全面的研究，得出了機器人工作空間受到關節(jié)連桿長度影響的結論。 3、利用PROE軟件對可穿戴式上肢康復機器人的進行了運動學仿真,得到了機器人的工作運行軌跡,同時在仿真中也可以實現(xiàn)對其運動學理論解的驗證。 本文通過利用PROE建模后,對可穿戴式上肢康復機器人進行了運動仿真,驗證了模型樣機的合理性,取得了初步的成果。但還有很多研究工作要作,需要對可穿戴式機器人許多技術進行更深入的研究,仍有許多問題需要探討： 1、 優(yōu)化結構設計及電機選型以實現(xiàn)可穿戴式機器人的進一步減重，機器人的能耗盡管會降低，但是它的各項性能會全面的提升。 2、實際零部件加工裝配完成后,需要將實驗調試的結果與虛擬仿真的結果比較驗證,同時進一步細化仿真模型有助于更好地用虛擬樣機來模擬實際的機器人。 5.2 展望 5.2.1機構創(chuàng)新的展望 本文所設計的外骨豁式上肢康復機器人在機構上己經(jīng)能滿足上肢運動的基本功能需求，但結合到設備的使用性能以及用戶體驗等，仍有部分內容需要進 一步改進： 1、外骨豁穿戴式機器人已經(jīng)成為當下上肢康復機器人的機構發(fā)展主流，設計出更加輕巧、便攜尤其是方便穿戴的機械機構是該機器人機構發(fā)展的一個重要方向。設計出一套能自動調整執(zhí)行機構尺寸及實現(xiàn)自動穿戴功能的設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、鏡像運動等康復功能）為一體的康復機器人，應該擁有一套可輕松互換的對稱執(zhí)行機構（一側為健側，一側為患側）。因此各關節(jié)處有必要設有關節(jié)離合器，同時為了提供更加安全旳環(huán)境，對于整體機構的功能執(zhí)行可能需要設置一套總離合器。 3、對于系統(tǒng)傳動中的摩擦損失情況可做進一步研究從而優(yōu)化傳動系統(tǒng)，同時可根據(jù)設計需要設計出更適合該系統(tǒng)傳動的軟管機構及選定相關材料。 5.2.2控制創(chuàng)新的展望 在過去技術手段不高的時期內，患者的部分運動機能喪失，為了盡快恢復，醫(yī)生會花費大量的時間精力對患者進行輔導，幫助他們進行力量康復練習，患者的康復效果不好，有些治療醫(yī)生的訓練方法不當，還有可能對患者造成更為嚴重的后果。使用這種傳統(tǒng)康復手段，沒有統(tǒng)一的考評制度方法來收集各項數(shù)據(jù)，沒有好的辦法來對訓練活動實現(xiàn)改進優(yōu)化，從而得到高質量的醫(yī)治。對于康復機器人控制設計本文提出以下展望： 1、隨著智能化觸屏技術的普及和聲控技術的成熟發(fā)展下，該類技術同樣 可以運用在康復機機器人上。 2、對于該機器人，我們提出了具有自主訓練和監(jiān)護陪同訓練兩類訓練方式。其中監(jiān)護訓練可分為專業(yè)醫(yī)師指導操作訓練和非專業(yè)人事協(xié)助訓練；自主訓練是患者在無其他人員陪同時自主操作設備實現(xiàn)自動穿戴和自主康復訓練的訓練式，自主康復訓練模式包括指定康復模式選擇、自主運動錄制、雙臂鏡像運動等功能。 3、同時為了有效實現(xiàn)遠程監(jiān)控，需要對臨床醫(yī)師所裔要參考的康復數(shù)據(jù)力反饋或肌電信號等）進行有效提取及處理，方便醫(yī)師進行康復評估以及及時制定合適的康復訓練模式。從而有效促進實現(xiàn)遠程監(jiān)控和一對多的康復監(jiān)控。因此針對提出哪些參數(shù)以及如何有效提取相關參數(shù)需要進一步結合臨床醫(yī)學及康復工程作深入研究。 4、設計趣味化康復模式?？舍槍祻陀柧殐热菰O計出各種有趣的虛擬環(huán) 境來調動使用者的積極性，可開發(fā)相應的程序。對于今后的設備可發(fā)展為能直接連接手機端實現(xiàn)智能化、多端口聯(lián)合監(jiān)控 致謝 這次畢業(yè)設計在指導我的老師的教育下，同學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計，還讓我學到了許多書本上都學不到的東西，同時也給我提供了充足完備的學習條件和寶貴的交流機會，真是受益匪淺。從課題的選定到設計的順利完成，都是我的導師熱情指導和點撥的，是您的潛移默化讓我對設計有了全新的認識。可以說沒有您的幫助，我的設計是沒有辦法很好完成的。您的治學嚴謹?shù)淖黠L對我產(chǎn)生了很大的影響，這對我是一種很好的熏陶，對我以后的學習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，我的導師嚴格要求、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和無私地奉獻。這幾年的學習生涯中，老師治學嚴謹、做事認真的工作態(tài)度，孜孜教誨、無私奉獻的作風以及勇于創(chuàng)新的精神令我受益匪淺。 感謝班級指導員，是他們給予我學習和生活中的引導，從而使我順利完成學業(yè)，保持一顆積極向上的心態(tài)。感學學院的書記是他們在思想上給予我指導，使我始終保持政治思想上的先進性，不斷學習進步。 感謝班級所有同學。幾年來大家一起學習生活，一起參加班級集體活動，形成了一個團結、友愛、互相幫助的集體，這將是我人生最難忘的一段學習經(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，是他們在物質和精神上的長期支持、鼓勵和無限的關愛支撐著我。四年的求學生涯，我學到了許多東西，不僅僅在學習和科研上，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，謹向所有關心、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！  參考文獻 【1】呂廣明,孫立寧,彭龍剛康復機器人技術發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術分析哈 爾濱工業(yè)大學學報。2004（9）：1224-1227頁 【2】胡宇川,季林紅從醫(yī)學角度探討偏癱上肢康復訓練機器人的設計中國 臨床康復，2004，8（34）11一18頁 【3】金德聞,季林紅,張濟川康復工程研究的新進展中國康復醫(yī)學雜志2001,16（6），34-39 頁 【4】張付祥,付宜利,王樹國康復機器人研究進展河北工業(yè)科技。2005，22（5）24-29頁 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