上肢外骨骼康复机器人本体及运动仿真的研究

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1、DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyForTheMasterDegreeofMechanicalengineeringSTUDYONEXOSKELETALROBOTFORUPPERLIMBSANDMOTIONSIMULATIONByGuiLaiquanSupervisor:Prof.LiuRuisuMarch2012河北工业大学硕士学位论文上肢外骨骼康复机器人本体及运动仿真的研究摘要在当今社会中，由于各种原因引起的脑卒中偏瘫患者越来

2、越多。在传统康复治疗无法满足现在社会需求的情况下，将机器人技术应用于对偏瘫患者的上肢康复治疗成为现在国内外研究的热点问题。上肢康复机器人与普通工业机器人不同，它是以脑卒中偏瘫患者作为工作对象的，设计中不仅要实现其基本功能，还应全面考虑安全性、实用性等因素。论文在分析人体上肢结构、运动模式和运动康复理论的基础上，设计了一款外骨骼上肢康复机器人，并对其进行了运动学分析和仿真，对其静力矩做了详细分析和计算，最后分析了机器人工作空间，证明了其可行性和实用性，为进一步研究、控制康复机器人和规划康复训练动作

3、奠定了基础。论文首先对人体结构、运动模式以及运动康复理论和运动康复方法进行分析。在此基础上，结合人体尺寸和关节活动度，进一步提出一种具有五自由度的外骨骼式上肢康复机器人的整体方案。根据所设计的机器人结构及参数，运用D-H法建立了连杆坐标系，用齐次坐标变换的方法对机器人进行了运动学分析和描述。利用Pro/E软件，以进食运动训练为例，对机器人位置和姿态分别进行了运动学仿真，并将仿真结果与运算结果进行比较，得出对机器人进行的正运动学分析的正确性。然后对机器人进行了逆运动学分析，并计算出其速度雅可比矩阵

4、，为进一步研究机器人控制和进行运动轨迹规划奠定了基础。在理论力学的基础上，根据机器人结构建立的静力矩模型，对机器人不同关节转角下的空载静力矩和工作状态静力矩进行了分析，给出各关节静力矩的计算公式，为机器人实现力辅助控制奠定了理论基础。对外骨骼康复机器人上臂和前臂的理想工作空间和实际工作空间进行了分析，并用图解法经分析结果表述出来。分析机器人工作空间的结果，得出机器人机构方案的合理性。关键词：上肢外骨骼，运动学分析，静力矩分析，工作空间I上肢外骨骼康复机器人本体及运动仿真的研究STUDYONEXO

5、SKELETALROBOTFORUPPERLIMBSANDMOTIONSIMULATIONAbstractDuetoavarietyofreasonsthatstrokepatientswithhemiplegiabecomemoreandmoreintoday'ssociety.Inthecaseofthetraditionalrehabilitationtreatmentcannotmeettherequirementofthesocietynow.Itbecomesahotissuetha

6、ttherobottechnologyisapplyingtotheupperlimbsrehabilitationtherapyinpatientswithhemiplegiaindomesticandforeignresearch.Comparedwiththecommonindustrialrobots,upperlimbsrehabilitationrobotsmakethehumanbody,especiallythehemiparalysispatients,astheworkobj

7、ect.Thedesignnotonlyrealizethebasicfunctions,itshouldfullyconsiderthesafetyofhumanbody,practicalandsoon.Thispaperhasanalyzedthestructureofupperbody,themotionmodeandthemovement,basedonthetheoryofrehabilitation，itdesignsaexoskeletonsupperlimbsrehabilit

8、ationrobots,analyseandsimulateitskinematics,analyseandcalculateitsstatictorquedetailedly.Inthefinal,itanalysetherobotworkingspace,provethefeasibilityandpracticability.Forfurtherresearch,controlrehabilitationrobotsandrehabilitationtrainingactionplanto