一種7-DOF外骨骼式上肢康復(fù)機器人的設(shè)計與研究.pdf

1、腦卒中是一種突發(fā)腦血液循環(huán)障礙性疾病，患病患者中約85％具有偏癱癥狀，行之有效的方法是臨床治療后立即轉(zhuǎn)為康復(fù)訓(xùn)練，然而，由康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)師對患者進行一對一重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練效率低、成本高、工作枯燥，而且很難保證康復(fù)訓(xùn)練的運動參數(shù)、力學(xué)性能的精度要求。本文在機器人學(xué)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(fù)機器人的設(shè)計與試驗研究”的基金資助下，設(shè)計出一種基于串聯(lián)的新型7-DOF外骨骼式上肢康復(fù)機

2、器人來完成此項工作。研究內(nèi)容主要包括:
　　第一，根據(jù)患者進行康復(fù)訓(xùn)練的相關(guān)要求對上肢康復(fù)機器人的整體方案進行設(shè)計。對人體上肢結(jié)構(gòu)作了簡要分析，參考康復(fù)理療師常見康復(fù)動作，確定對患者進行康復(fù)訓(xùn)練所需要的相關(guān)運動參數(shù);設(shè)計出一種能夠滿足上肢康復(fù)訓(xùn)練需求的新型7-DOF外骨骼式串聯(lián)康復(fù)機器人機構(gòu)，完成了該機器人機構(gòu)的型綜合分析、驅(qū)動方案設(shè)計及傳動方案設(shè)計。
　　第二，對7-DOF外骨骼式上肢康復(fù)機器人進行了運動學(xué)分析。利用D-H

3、矩陣建模法建立7-DOF外骨骼式上肢康復(fù)機器人運動學(xué)方程，完成了該機器人的運動學(xué)（位置正、反解）求解分析;并運用ADAMS軟件對其運動學(xué)進行仿真分析，進一步驗證運動學(xué)求解的正確性以及整體設(shè)計方案的可行性。
　　第三，完成了7-DOF外骨骼式上肢康復(fù)機器人動力學(xué)仿真分析。根據(jù)主要的康復(fù)運動，選取若干主要關(guān)節(jié)，對7-DOF外骨骼康復(fù)機器人進行模型簡化，運用拉格朗日方程法對該模型進行動力學(xué)分析;利用ADAMS軟件對康復(fù)機器人在勻加速、勻

4、速啟動兩種工況下進行動力學(xué)仿真，得到各關(guān)節(jié)不同工況下的驅(qū)動力矩值，為康復(fù)機器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機及減速器的再次篩選提供參考依據(jù)。
　　第四，設(shè)計了一種新型柔彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)和一種新型減重支撐裝置。為使機器人具有一定柔性緩沖性能，避免患者二次傷害，同時，減少剛性沖擊對機械驅(qū)動、傳動系統(tǒng)的影響，設(shè)計出一種新型柔彈性驅(qū)動關(guān)節(jié);患者利用機器人進行康復(fù)訓(xùn)練的前期階段，上肢無法承擔(dān)自量及機械臂重，因而，設(shè)計了一種新型減重支撐裝置;對以上兩種裝置分別

5、進行相關(guān)的理論及仿真分析，初步驗證了兩個設(shè)計方案的可行性。
　　第五，對關(guān)鍵零部件進行有限元分析及整機的靜態(tài)誤差分析。利用ANSYS軟件對關(guān)鍵零部件進行靜力學(xué)的有限元分析，探究各零部件的剛度及強度要求;在此基礎(chǔ)上，對整機進行靜態(tài)誤差分析，求得對康復(fù)機器人影響較大的誤差因素，為后期的整機加工提供參考依據(jù)。
　　最后，加工出柔彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)及減重支撐裝置的原理樣機，并分別進行相關(guān)的試驗探究。試驗結(jié)果與理論計算及仿真分析保持一致，進