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柔性上肢康复机器人路径规划及实现

杜豪  
【摘要】:目前,我国老龄化人口基数不断增长,因脑卒中导致的上肢偏瘫患者日益增多,康复需求巨大。临床试验表明:在病发后的前三个月里,患者接受康复治疗,其效果是最佳的,治疗总有效率达到92.4%。因此早期的康复训练是非常有必要的。本文依托重庆市人工智能技术重点研发项目,对柔性上肢康复机器人进行路径规划和功能实现。由于实验室现有的康复样机在运动过程中存在模式单一、不平稳等现象,而且忽略了柔绳特性对上肢运动的影响,本文针对样机的不足进行了运动分析,设计了多关节组合运动路径方案,进行了合理的运动路径规划,并利用CPAC控制器和虚拟现实技术加以实现。首先,立足于上肢康复理论,总结人体上肢肩、肘两关节的运动自由度和运动范围,通过实验室现有的康复样机结构特点,分析上肢康复样机运动原理,对上肢复杂动作的逆向研究,结合实验室上肢康复样机,设计多关节组合康复运动方案。其次,对柔性上肢康复机器人进行运动学分析和建立柔性上肢康复机器人动力学模型。分析柔绳的受力特性,利用牛顿-欧拉法和拉格朗日法建立柔性上肢康复机器人力学模型,并对柔绳牵引下的上肢康复运动进行动态分析,为后期的机器人末端运动规划奠定基础。接着,对多关节组合运动进行路径规划。通过对柔性上肢康复机器人运动学和动力学分析与求解,利用余弦多项式函数、三次多项式插值和五次多项式插值对上肢运动进行运动规划分析,为下一步上肢进行平稳的康复训练做准备。最后,上肢康复动作的实现。利用CPAC控制器,搭建上肢康复机器人实验平台,配置多关节组合运动参数,结合NOKOV三维光学动作捕捉系统,对上肢运动路径实时跟踪监测,再结合虚拟现实技术,模拟真实的训练场景,对上肢康复运动进行验证与实现。


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