一种新型上肢康复机器人的运动学分析与实验研究

【摘要】：脑卒中俗称脑中风,是一种高发病率、高死亡率、高致残率的疾病。2016年在“中国脑卒中大会暨第六届全国心脑血管病论坛”有专家指出,目前我国脑卒中的发病率以每年8.7%的速度上涨,而且发病趋势逐渐年轻化,病情十分不容乐观。最新研究结果表明:及早、及时、科学有效的对脑卒中患者的患肢进行康复性运动训练,可以极大的提高患者恢复肢体运动功能的速度。传统的治疗手段通常采用一对一的康复性运动训练,这种治疗方式无法记录病人的运动状况、运动速度、及运动强度等,同时治疗效果取决于康复理疗师的工作方法、工作态度、工作经验等。随着机器人应用范围越来越广泛,人们逐渐将其应用到康复医学领域。本文针对患者上肢康复训练的问题,设计开发了一种新型串并混联上肢康复机器人,完成了运动学的分析与优化、动力学的建模与分析、典型康复轨迹的仿真实验、实验平台的搭建,主要内容如下:1、提出了一种新型的串并混联康复机器人,基于D-H方法,建立了机器人关节坐标系,求出了机器人的运动学正解和反解。采用微分变换方法,得出了机器人的雅克比矩阵,确定了机器人的奇异位形,结果表明,该机器人在X-Y平面上,以点(0,-(R+a_1))为圆心,L为半径的圆上存在奇异位形。利用数值方法,求解出了机器人的工作空间,其在X-Y平面的投影为一扇形,其最大外接圆半径为350mm。以灵巧度作为优化目标函数,采用蜂群算法,完成了机器人机构优化。2、利用拉格朗日方程,建立了上肢康复机器人的动力学模型,求得了各个关节驱动力函数表达式。通过具体算例,并利用MATLAB与ADAMS两款软件对动力学进行仿真分析。对比两者仿真的结果可以看出,动力学模型与虚拟样机模型建立正确。3、针对脑卒中治疗问题,探讨了被动运动训练模式,在此模式下,患者通过完成一些典型的康复性动作,从而重塑大脑中枢神经系统。针对几种典型的康复轨迹进行了运动仿真,首先建立末端轨迹函数表达式,并通过MATLAB仿真出轨迹图形,其次利用ADAMS对虚拟样机进行仿真,得到末端点的轨迹曲线及电机的速度和加速度曲线。两者仿真结果表明,机构设计合理,运动学模型建立正确。4、研制了上肢康复机器人样机,采用C#语言开发了上位机界面,对“8”字形、“0”字形、“1”字形,“一”字形康复轨迹进行实验验证。实验结果表明,运动学理论分析模型正确,控制系统工作稳定。本研究对后续机器人的刚度分析、轨迹规划、系统控制等工作奠定了一个基础,具有一定的指导意义。