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三自由度主动式上肢康复机器人结构设计与开发

张瑞雪  
【摘要】:目前,我国像欧美发达国家一样正步入老龄化社会,老年人口占全国总人口的比例越来越大,脑卒中患病人数也在不断上升。脑卒中治疗后多伴有不同程度的肢体偏瘫症状。此外,由其它因素引起肢体残疾和偏瘫的人数也在不断增加,给患者家庭和社会带来沉重负担。脑卒中治疗后及时进行科学有效的康复训练将大大提高康复效率,使患者早日恢复正常运动功能。为此上肢康复机器人的研究具有非常重要的研究意义和应用价值。本文在了解国内外上肢康复机器人发展现状的基础上,结合现有康复机器人存在的问题,提出三自由度上肢康复机器人总体设计方案,并进行研发。本文侧重于主动式机械结构的研发设计、机构的正、逆运动学分析以及逆运动学仿真。文中研制的康复机器人具有三个自由度,通过计算机控制磁粉离合器的接通与断开可实现主动和被动两种模式,即可以实现无外在动力源的情况下操作末端手柄进行空间康复训练,也可以实现由闭环伺服控制系统带动患者患肢进行康复训练。两种运动模式中均采用虚拟现实技术,通过设置不同难易程度的趣味性游戏,激发患者潜在运动意念,构建良好的人机交互环境。在康复训练过程中患者应感受到虚拟环境中运动对象带给患者的感知力,被动运动时可通过计算机控制转矩可调的磁粉制动器来实现,主动运动模式时可通过计算机控制转矩可调的磁粉离合器与交流伺服电机来实现,提高康复机器人的智能化程度。采用D-H方法对上肢康复机器人建立坐标系,并对其进行运动学分析,得到康复机器人正逆运动学方程。在此基础上推导出了康复机器人雅可比矩阵,已知机器人关节速度的情况下,通过雅可比矩阵即可算出机器人末端在空间中的速度。利用Matlab中Robotics工具箱构建康复机器人三维模型,并对其进行逆运动学仿真,从机器人关节角位移图和末端位移图可看出康复机器人结构设计的合理性。本文将机器人技术与虚拟现实技术相结合,研制一款可以主动与被动两种运动模式自由切换的三自由度上肢康复机器人。文中所做的工作将为康复机器人进一步的程序控制和软件开发奠定了理论基础。


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