六自由度外骨骼上肢康复机器人的设计和分析.pdf.doc

六自由度外骨骼上肢康复机器人的设计和分析.pdf.doc 分类号:TH122 密级: 天津理工大学研究生学位 六自由度外骨骼上肢康复机器人的设 计和分析 (申请硕士学位) 学科专业:机械设计及理论 研究方向:外骨骼上肢康复机器人系统 作者姓名:张 帆 指导教师:郑清春教授，郭书祥教授 2015年 1月 Thesis Submitted to Tianjin University of Technologyfor the Master’s Degree The Design and Analysis of the 6 Dofs Exoskeleton Upper Limb Rehabilitaiton Robot By Fan Zhang Supervisor Prof. Qingchun Zheng Prof. Shuxiang Guo January 2015 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 或 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津理工大学 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津理工大学有关保留、使用学位论文 的规定。特授权 天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期: 签字日期: 年 月 日 年 月 日 摘要 近些年来由于因中风等脑血管疾病引起的上肢偏瘫患者的增多 ,传统方法已经不能 满足众多患者的康复需求。随着机器人技术的蓬勃发展，科学家希望将机器人技术与康 复医学进行结合，用机器人代替理疗师来辅助偏瘫患者进行康复训练，因此越来越多研 究机构开始致力于康复机器人的研究。外骨骼式康复机器人相当于在患者肢体外侧附加 一层外置骨骼，用来支撑和辅助偏瘫肢体来进行高强度的康复训练运动。本文从医学角 度上分析肢体偏瘫形成的原因，在总结国内外研究现状的基础上提出一套针对偏瘫患者 上肢的外骨骼式上肢康复机器人系统，并且针对不同时期的患者提出了两套康复系统， 分别为双边式康复系统和独立式康复系统。系统主要组成包括六自由度触觉感受器 (Phantom Premium)、外骨骼上肢康复机器人、虚拟现实系统、电机控制单元、脑电信 号系统、肌电信号系统和一些相关传感器。该系统偏瘫患者提供一套从“测试-训练-评 价”的科学康复策，即控制信号来源于患者本身，然后通过机器人辅助患者进行训练， 再通过患者的生物信号来评价患者的康复情况，再通过患者康复情况来制定下一阶段的 康复训练。 本研究主要针对该系统中外骨骼式上肢康复机器人的结构进行研究和设计，其主要 包括上肢康复机器人和手指康复机器人两套，可以实现肢体总共六个自由度的运动。首 先，从解剖学角度了解人体上肢和手指的组成，分析其骨骼特点和运动形式，总结机器 人设计所需要满足的人体工学要求，为机器人结构设计奠定医学基础。然后，从人体工 学特点、材料选择、驱动方式选择以及传动方式选择等几个方面对机器人进行设计和计 算，提出机器人的总体设计。其次，分别建立上肢康复机器人和手指康复机器人的运动 学模型，并通过动力学仿真软件ADMAS验证机器人结构的合理性和稳定性。最后，利用 有限元仿真软件ANSYS对在康复训练过程中机器人对于患者的肢体的力学影响进行了仿 真，通过仿真结果建立了科学的康复方法，防止由于机器人的过渡运动与患者的肢体造 成二次损伤，提高康复训练的安全性。 在上述研究分析的基础上，我们已经分别设计和组装完成外骨骼上肢康复机器人和 手指康复机器人样机各一套，并对样机和系统进行了运动功能的调试以及特性评价，初 步完成了机器人的运动要求以及两种康复训练模式的要求，为以后的机器人结构优化设 计和系统结构继续完善打下夯实的基础。 关键词:外骨骼上肢康复机器人结构设计运动学建模力学仿真 Abstract Recently, because the number of patients with the upper limb hemiplegia caused by cerebrovascular diseases such as stroke has been increasing rapidly, traditional methods can't meet the rehabilitation demand of patients. With the vigorous development of robot technology, scientists hope to combine the robot technology with rehabilitation medicine to use the robot to replace the physical therapist to assist hemiplegia patients implement rehabilitation training, so more and more research organizations began to devote themselves to the study of rehabilitation robot. Exoskeleton rehabilitation robot is equivalent to afford an additional layer external skeleton on the patients’ limbs to support and assist hemiplegic limbs for high strength rehabilitation training. This paper analyzes the formation cause of the limb hemiplegia from the medical point, and proposes a exoskeleton upper limb rehabilitation robot system on the basis of summarizing the research status at home and abroad, and puts forward two rehabilitation systems aiming at different periods of patients, including bilateral type system and independent type rehabilitation system respectively. The system consist of six degrees of freedom tactile sensor (the Phantom Premium), exoskeletons upper limb rehabilitation robots, virtual reality system, motor control unit, brain electrical signal system, electromyographic signal system and some related sensors. The system provides a science rehabilitation policy that is from "test - training - evaluation", namely the control signal comes from the patients and system transmit this signal to robot to assisted patient training, and it evaluates the patient's recovery by the patient's biological signal, lastly according the patients’ condition to develop the next phase of rehabilitation training. This study introduces mainly the research and design of the structure of the exoskeleton upper limb rehabilitation robot in this system, including the upper limb rehabilitation robots and finger rehabilitation robots, which can achieve six degrees of freedom movement in total. Firstly, from the anatomy, it introduces the structure of the human upper limb and finger, and analyzes the characteristic of the bone and movement form, and summarizes the ergonomics design requirements of the two robots and settles the medicine foundation for the following robot structer design. Secondly, from on the aspects of the ergonomic features, the choice of materials, driving mode and transmission mode selection of the robot, it puts forward the overall design of the robot. Thirdly, it establishes respectively the kinematic model of the upper limb and finger rehabilitation robots, by using the dynamics simulation software ADMAS verifies the rationality and stability of the robot structure. Finally, using the finite element simulation software ANSYS analyzes the force influence that the robot gives the patients’ limbs in the process of rehabilitation training, and the scientific methods of rehabilitation was established based on the simulation results to protect the secondary damage caused by robot movement and improve the security of rehabilitation training. Based on the above study and analysis, we have been analyzed and assembled the prototypes of the exoskeleton upper limb and finger rehabilitation robots, and probe into the prototype and the system debugging, and complete preliminarily the requirements of robot movement and two rehabilitation training system. It lays a solid foundation for the optimization design of the robot and system structure in the future. Key words:Exoskeleton Upper Limb Rehabilitation Robot, Structure Design, Kinematic Modeling, Force Simulation 目 录 第一章绪论 ...................................................................................................................... 1 1.1课研究背景和意义..................................................................................................... 1 1.1.1研究背景................................................................................................................. 1 1.1.2研究意义................................................................................................................. 3 1.2国内外研究现状............................................................................................................. 4 1.2.1国外研究现状.......................................................................................................... 4 1.2.2国内研究现状.......................................................................................................... 6 1.2.3存在问题.................................................................................................................. 8 1.3课题研究内容................................................................................................................. 9 第二章人体上肢生物学分析.......................................................................................... 12 2.1引言............................................................................................................................... 12 2.2人体上肢解剖学分析................................................................................................... 12 2.2.1组织结构分析....................................................................................................... 12 2.2.2运动分析............................................................................................................... 13 人体手指解剖学分析 .......................................................................................................... 14 2.2.1组织结构分析....................................................................................................... 14 2.2.2运动分析............................................................................................................... 15 2.3本章小结....................................................................................................................... 16 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 ....................................................................... 17 3.1引言............................................................................................................................... 17 3.2外骨骼上肢康复机器人系统介绍 ............................................................................... 17 3.2.1外骨骼上肢康复机器人系统组成........................................................................ 17 3.2.2机器人系统各部分的作用.................................................................................... 19 3.2.3机器人系统康复训练过程.................................................................................... 22 3.3外骨骼上肢康复机器人设计....................................................................................... 23 3.3.1人体工学设计....................................................................................................... 23 3.3.2材料和驱动方式选择........................................................................................... 23 3.3.3传动机构的设计................................................................................................... 26 - i - 3.4外骨骼手指康复机器人设计....................................................................................... 29 3.4.1人体工学设计........................................................................................................ 29 3.4.2材料和驱动方式选择............................................................................................ 30 3.4.3传动机构的设计.................................................................................................... 30 3.5本章小结....................................................................................................................... 32 第四章外骨骼康复机器人的运动学分析 ....................................................................... 33 4.1引言............................................................................................................................... 33 4.2上肢康复机器人的运动学模型建立........................................................................... 33 4.2.1 D-H参数法............................................................................................................. 33 4.2.2上肢康复机械臂的运动学分析........................................................................... 34 4.2.3雅可比矩阵........................................................................................................... 36 4.3手指康复机器人的运动学模型建立........................................................................... 38 4.3.1手指康复机械人的运动学分析........................................................................... 38 4.3.2雅可比矩阵........................................................................................................... 40 4.4基于 ADMAS的运动学仿 真 ........................................................................................ 40 4.4.1上肢机器人肘关节运动轨迹验证........................................................................ 40 4.4.2手指机器人末端运动轨迹验证............................................................................ 42 4.5本章总结 ....................................................................................................................... 44 第五章基于有限元方法的力学仿 真 .............................................................................. 45 5.1引言............................................................................................................................... 45 5.2机器人对于患者上肢的力学影响............................................................................... 45 5.2.1上肢肘关节力学仿真........................................................................................... 45 5.2.2应力分布和最佳运动模式建立........................................................................... 45 5.2.3应力分布和最佳运动模型建立........................................................................... 48 5.3本章总结....................................................................................................................... 51 第六章总结与展望 ......................................................................................................... 52 6.1总结............................................................................................................................... 52 6.2展望............................................................................................................................... 52 参考文献 .......................................................................................................................... 54 发表论文和科研情况说明................................................................................................ 58 致 谢 .......................................................................................................................... 59 - ii - 第一章绪论 第一章绪论 1.1课题研究背景和意义 1.1.1研究背景 脑卒中，俗称中风，是脑血管疾病的一种症状，主要指的是由急性脑血管疾病引起 的持续性大脑半球或脑干局部性神经功能缺损、闭塞或者破裂等一组疾病的总称，具有 高发病率，高死亡率和高致残率等特点，已经成为威胁人类健康的主要疾病。美国心脏 协会(American Heart Association)2007年的公开了一份调查报告显示，报告指出在美 国每年有将近超过 70万的新增中风患者[1]。在我国，随着老龄化的加剧，中国已经成为 中风患者最多的国家，每年新增患者约 150万例，并迅速增长。随着医学水平的提高， 脑卒中患者的死亡率在不断减少，约为 130~160/10万人，但是在众多的幸存者中有大 约 75%人会导致肢体运动功能缺损，即我们通常所说的偏瘫。截止 2010年末，我国因 中风引起的肢体残疾人数约为 2472万人，这些人不仅承受着运动功能缺损带来的巨大 痛苦，又给家人和社会带来了沉重的物质和经济负担[2]。因此，这一特殊群体开始引起 社会越来越多的关注，国务院颁布了《中国残疾人事业“十二五”发展纲要》，其中指 出需尽快完善康复服务产业，通过开展重点康复工程帮助 1500万残疾人得到不同程度 的康复，普遍开展社区康复服务，通过各方面的努力初步实现残疾人享有康复服务保障 的目标。于是寻找一种高效科学的康复方法帮助偏瘫患者康复，已经成为了一项迫切的 任务。 (b)脑血管疾病死亡率 (a)脑血管疾病原因 图 1-1脑血管疾病所占比例[1] 由于中风病人脑组织神经损伤,患者中断中枢神经系统和肌肉组织之间的传输 ,导致 肌肉组织不能获得电刺激使肢体产生运 ,这可能使得中风患者肢体偏瘫或失去基本的运 动功能。在医学界,根据分析中风患者的运动功能障碍情况,偏瘫患者可分为表 1-1所示 的几类[3]。康复医学与预防医学、保健医学以及临床医学并称医学的四大组成部分，其 - 1 - 第一章绪论 对于残疾人患者护理方面发挥十分重要的作用。康复医学借助于康复治疗技术辅助病、 伤、残患者恢复肢体运动功能，并且促进其心理恢复，以改进其生活质量。随着经济发 展和疾病的普及，传统的康复医学模式也从疾病治疗医学模式向“预防—保健—治疗— 康复”的模式转变。对于偏瘫患者，传统的康复方法主要采用如图 1-2所示的按摩、针 灸、药物注射和电刺激等方法[4]。这些方法虽然曾取得良好的恢复效果，但是大多数存 在着如下几个弊端: (1)主要依靠理疗师的主观经验判断，康复过程不能持续进行，因此缺少科学的 评价，康复效率低下。传统方法对人力物力消耗很大，患者需要专业的人士进行一 对一式的护理，不仅给患者带来沉重的经济负担，而且给社会带来了各方面的压力。 (2)康复过程枯燥乏味，患者需要去医院进行长时间的康复训练，很容易使患者 产生抵触的情绪，不能提高患者的主动性，降低康复效果。 (3)康复过程不能对患者肢体进行有效的保护，其训练过程相当于一个开环路径， 没有相关数据的反馈以增加训练过程的安全性，这容易使得在训练过程中对患者的肢体 造成二次损伤，加剧患者的病情。 综上所述，在现阶段，需要找寻一种合适的手段去代替理疗师辅助偏瘫患者进行科 学的康复训练，这样不仅对于患者有着积极的作用，同样可以缓解患者给社会带来的负 担。 表 1-1偏瘫程度肌力等级症状描述[3] 图 1-2传统的康复疗 法 - 2 - 第一章绪论 1.1.2研究意义 1960年，加拿大整形外科医生 Salter提出了连续被动运动理论(CPM)[5]，他指出 人体大脑神经是具有可塑性，患者肢体借助康复器材通过长时间的连续被动的运动，不 仅可以防止病人关节僵硬和促进血液循环，而且可以通过反向刺激加速患者脑部神经的 可塑性恢复以达到康复的目的。目前，连续被动运动理论已经应用于中风患者临床治疗 当中，通过实际证实该理论可以有效防止痉挛和改变中枢神经系统的一致，促进行为反 应能力。 随着机器人技术的蓬勃发展，人们提出用机器人代替人类进行劳动作业，这样可以 减少人力物力的消耗，于是科学家将机器人技术与康复医学进行融合，发明了康复机器 人。康复机器人是一种新型的机器人，涉及了多个领域，包括康复医学、机器人学、生 物力学、计算机学、控制科学等，是当代机器人领域的研究热点，近几年来发展迅速。 与传统康复手段相比，康复机器人有如下几个优势: (1)康复机器人代替理疗师进行体力劳动，不会由于理疗师的个人原因造成患者 的康复训练达不到强度要求，对财力物力人力消耗相对减少。 (2)通过互联网技术，康复机器人可以远端操作，理疗师通过遥操作技术控制患 者进行康复训练，这使得患者可以在自己家中实现康复训练，不受治疗时间和地点的限 制，保证患者的训练，而且可以同时对患者的心里状态达到一定治疗作用。 (3)采用传感器技术，可以实时监测患者的康复训练的状态，在保证患者训练安 全性的同时，科学的反馈患者的康复状态。理疗师可以通过反馈的数据为患者制定更为 高效的康复策略。 (4)采用虚拟现实技术与机器人结合，可以在患者做康复训练的同时提供一些丰 富多彩的训练内容和小游戏，不仅可以减缓患者康复训练的疲劳感，增加训练的趣味性， 而且可以调动患者参加康复治疗的积极性，这样对患者身心都起着很好的作用。 图 1-3康复机器人两种类型[6] 现阶段已有的康复机器人主要分为末端式机器人和外骨骼式机器人，如图 1-3所示 [6]。前者属于康复机器人早期的研制成果,患者将手部或者上肢固定在机器人的末端，机 器人在与患者接触点产生驱动力矩控制患者的肢体执行康复训练。这类机器人结构比较 简单,容易制造以及更容易地调整机器人的长度以适应不同患者的需求。然而机器人不能 - 3 - 第一章绪论 与患者肢体正确的贴合，导致机器人无法满足肢体的运动范围。此外，此类机器人只有 一个人机接口，不能对患者的单独关节进行康复训练，只能进行一些有限制的训练。于 是，外骨骼式康复机器人成为现阶段康复机器人主要的发展方向。外骨骼式康复机器人 符合人体工学设计，其关节旋转轴线与人体关节轴线吻合，相当于在患者肢体外侧附加 了一层外置骨骼辅助患者进行运动。该机器人可以实现多关节运动和单关节的运动，在 控制姿态运动则更加灵活简便，以及更加容易控制关节的产生力矩防止机器人对患者的 二次损伤。虽然它的尺寸调节范围不像末端式机器人能适应更多患者的肢体的长度，但 是其增加了关节的运动范围，使得康复训练能达到平时的运动范围要求。 因此，本文主要设计一套针对患者上肢康复的科学高效的外骨骼上肢康复机器人系 统，这在当今时代发展潮流下具有很重要的意义。 1.2国内外研究现状 从 20世纪 60年代开始，科学家开始尝试机器人技术与康复医学进行结合，虽然 取 得一定程度上的进步，但是该类机器人只是发展缓慢。到 20世界 80年代后，随着计算 机飞速发展，康复机器人的研究开始得到跟多人的关注。直到步入 21世界康复机器人 走进了发展的黄金时期，各种各样的机器人如雨后春笋般出现，甚至一些机器人已经形 1.2.1国外研究现状 成产品化并用于临床研究之中。 国外对于康复机器人的研究起步比较早，1991年美国麻省理工学院设计了一台名为 MIT-MANUS的上肢康复机器人系统，如图 1-4所示。该机器人采用连杆机构，主要用 于患者的肩部，肘部的康复治疗，在降低了机器人末端执行器的阻抗的同时，实现了康 复训练的安全性、舒适性和平稳性，通过临床应用的实践证明该机器人系统具有良好的 治疗的效果。此外，该系统可以通过人机交互界面可以直接准确测量患者手臂的平面运 动参数[7]。 图 1-4 MIT- MNUS[7] 2005年，瑞士苏黎世大学 Nef等人研制了一套坐式的名为 ARMin的外骨骼 上肢康 - 4 - 第一章绪论 复机器人系统[8]，如图 1-5所示。该机器人采用轮椅式固定结构，总共有 6个自由度， 可以实现肘关节的屈伸运动，肩关节的 3个自由度以及腕部的屈伸运动。患者可以根据 自己的需求，通过人机交互系统选择适合自己的康复训练模式。机器人关节处安装有位 置传感器和力传感器，可以检测患者康复运动的状态以此来提高保证训练的安全性。除 此之外，机器人还可以根据患者的上肢尺寸进行自我调节。 (a)第一代 (b)第二代 图 1-5 ARMin[8] 2006年，华盛顿大学的 C.Perry等人研制了一套名为 CADEN-7的七自由 度的外 骨骼上肢康复机器人系统[9]，如图 1-6所示。该机器人采用电机控制，控制肘部和腕 部的滑轮和线缆组成的传动机构完成规定的康复训练要求，同时该机器人系统大量 结合了正常人肢体日常所需的运动学参数，动力学参数，工作空间，关节运动范围 等，并且符合人体工学的设计要求。 图 1-6 CADEN- 7[9] 2008年，由日本岐阜大学研制的针对手部康复训练的外骨骼手指康复机器 ， [10] 如图 1-7所示。该机器人采用电机控制，并基于四连杆机构可以实现手部 18个自 由 度运动。该系统能实现双边式康复训练，即患者可以通过穿戴在健侧手指上的数据 传感器手套来自主控制穿戴在患侧手指上的康复机器人实现康复运动。手指上的传 感器可以试试检测患者的运动状态，并获得患者康复训练的相关数据。 - 5 - 第一章绪论 图 1-7日本岐阜大学机器人[10] 2010年，意大利热那亚大学的 Jamshed Iqbal等人研制一套名为 HEXOSYS的 外骨骼手指康复机器人系统，如图 1-8所示。该机器人同样采用连杆机构可以实现 拇指和食指的独立的弯曲伸展动作，以及两者的的开闭运动。每个关节都有独立的 驱动器进行控制,并在连接处安装有力传感器以确保运动安全[11]。 图 1-8 HEXOSYS[11] 1.2.2国内研究现状 相对于国外已经较为成熟的外骨骼式上肢康复训练机器人技术，国内在该领域的研 究起步较晚、技术水平相对落后，形成产品化的机器人少之又少。然而随着国家经济和 科技的快速发展，国内许多研究机构开始重视外骨骼式康复机器人的研究，通过不懈努 力取得了一些令人瞩目的成果。 2007年，哈尔滨工业大学王东岩等人研制了一套立式外骨骼上肢康复机器人系统[12] [13]，如图 1-9所示，该机器人采用电机驱动方式，可以实现肩部的伸屈、外展内收，肘 部的伸屈，使患者在机器人的辅助下可以完成一些日常生活中简单的训练任务。 - 6 - 第一章绪论 图 1-9哈尔滨大学机器人[12] 2009年，北京航空航天大学发明了一套精巧的外骨骼手指康复机器人，如图 1-10 所示[14] ，其特点是采用小型的平行滑动模块结构的外骨骼手指关节单元，通过外置的驱 动机构来控制腱鞘式钢丝传动来实现手指关节弯曲运动。该机器人在关节出安装有位置 传感器和应变式力传感器，根据传感器数据反馈来实现主动式康复疗法。 图 1-10北京航空航天大学机器人[14] 2010年，香港理工大学 K.Y.Tong等人研制一套专门针对中风患者的基于肌电信号 控制的外骨骼手指康复机器人，如图 1-11所示[15]。在康复训练中，该机器人通过检测 患者的肌电信号，经处理后控制机器实现手指两个关节的弯曲和伸展运动。每个手指均 装有调节装置以适应不同患者的手指长度。采用该机器人系统，中风患者可以再机器人 的辅助下用他们受损的手按自己意图完成一些日常生活任务。 图 1-11香港理工大学机器人[15] - 7 - 第一章绪论 2011年，华中科技大学吴军等人研制了一种基于气动肌肉的双向对拉驱动方式的外 骨骼上肢康复机器人[16]，如图 1-12所示。该机器人通过气动方式可以实现患者肩关节 的转动和伸屈，以及肘关节的伸屈。在采用气动肌肉的方式可以增加机器人的柔顺性， 减少刚性结构对患者的损伤，并且可以使康复训练满足日常生活的训练强度。 图 1-12华中科技大学机器人[16] 2011年,上海交通大学和 CAD模具联合中心共同开发设计的外骨骼上肢康复机器人, 如图 1-13所示[17] [18]。该机器人在机械机构设计上具有 6个自由度，可以实现肩关节的 三个自由度，肘关节两个自由度以及腕关节两个自由度。机器人安装在一个座椅上，并 通过可调节装置更好满足患者的训练要求。除此之外，该机器人还提供了重力补偿功能， 以提高训练的安全性。 图 1-13上海交通大学机器人[17] 1.2.3存在问题 上述所例举的外骨骼上肢康复机器人,不仅在国内外都处于该领域的领先位置,而且 有的已经应用于临床的康复治疗之中,甚至已经产品化了投向市场了。但是，通过上述的 分析，他们仍然存在着一些问题: (1)现有的机器人大多数将上肢结构和手指结构分开进行设计，只是针对部分关 - 8 - 第一章绪论 节进行康复训练，没有考虑到整个上肢的训练要求。手是人体比较精细的机构，微小空 间内神经与血管相互交错，小型肌肉群遍布全手，这使得手指损伤的治疗比较困难，要 求比较高，且治疗过程和康复周期时间相对较长。通常情况下，上肢偏瘫患者运动功能 恢复是从肩部开始，手指是往往是最后恢复的。因此，在医学界，一些医院将手指的运 动功能恢复情况作为上肢康复情况的标准。所以在机器人结构设计时要考虑将上肢与手 指进行结合。 (2)通过上述机器人可以看到，大多数机器人结构比较庞大，不具有便携性，且 不利于患者在家中进行康复训练，这对患者的康复也会起到一些负面作用。一些机器人 将执行机构和驱动机构分开，不仅增大了系统体积，而且降低了机器人的集成度。除此 之外，机器人结构复杂，这导致机器人不具有轻便性，患者穿戴在身上还要克服较大的 机构重量，这降低了康复训练的安全性。 (3)大多数机器人没有将人体的生理信号与控制信号进行结合，除了采用了表面 肌电信号，应该还要对患者脑电信号进行分析。因为中风主要来自于脑神经的受损，对 脑电信号的分析有助于评价患者的康复情况和执行高效的康复训练。采用脑电信号和表 面肌电信号结合的办法可以指定一套科学的康复评价体系。 (4)在机器人的设计和运动时，没有考虑到机器人对患者的力学影响，这使得机 器人在执行运动时容易对患者的关节进行二次损伤，不利于患者的康复。 (5)大多数机器人没有将虚拟现实技术融入系统之中，降低了康复训练的趣味性， 容易使患者产生心理疲劳，降低其对于康复的积极性，影响康复的效果。 1.3课题研究内容 本文在总结前人研究经验的基础上，通过查阅大量文献资料，归纳现有外骨骼上肢 康复机器人的不足，根据患者的康复需求，提出了一套针对偏瘫患者上肢和手部的外骨 骼上肢康复机器人系统，该机器人系统采用脑电控制可以实现肘关节、腕关节以及手指 的总共 6个自由度的运动，且机器人结构小，质量轻便具有便携性，适合患者在家中进 行康复训练，并且采用遥操作技术可以实现远程控制。本文主要针对机械结构设计方面 进行介绍,整个论文结构如图 1-14所示，剩下的工作归纳如下: (1)第二章，首先分析人体的上肢的组成,包括肌肉组织和骨骼,然后对人体上肢进 行运动分析,最后总结归纳机器人设计中所要遵循的人体工学特点 ,为下文机器人的设计 奠定医学基础。 (2)第三章，首先介绍整个外骨骼上肢康复机器人系统组成康复训练过程，然后 分别介绍了系统的各个组成部分，最后分别详细介绍了外骨骼上肢康复机器人和外骨骼 手指康复机器人的机械结构。 (3)第四章，采用 D-H算法分别外骨骼上肢康复机器人和外骨骼手指机器人进行 运动学建模，然后采用运动学分析软件 ADMAS进行运动仿真，总结归纳机器人的运动 特点。 (4)第五章，采用有限元分析软件 ANSYS分别对上肢模型和手指模型进行静力学 - 9 - 第一章绪论 仿真，分析机器人在辅助患者运动时的肢体应力分部，根据仿真结果建立科学的训练模 式和对机器人进行优化设计。 (5)第六章，对全文内容进行归纳总结，并对下一步研究进行展望。 - 10 - 第一章绪论 第一章绪论 研究背景及意义 国内外研究现状 课题研究内容 第二章人体上肢生物学分析 人体上肢解剖学分析 人体手指解剖学分析 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 外骨骼上肢康复 机器人系统各 机器人系统康 外骨骼上肢康 外骨骼手指康 机器人系统介绍 部分的作用 复训练过程 复机器人设计 复机器人设计 第四章机器人运动学分析 第五章基于有限元方法的力学分析 上肢康复机 手指康复机 基于 机器人对于 机器人对于 器人运动学 患者上肢的 患者手指的 器人运动学 ADMAS的 模型建立 模型建立 力学影响 力学影响 运动学仿真 第六章总结及展望 工作展望 图 1-14本文内容的主要安排及相互间的关系 - 11 - 第二章人体上肢生物学分析 第二章人体上肢生物学分析 2.1引言 外骨骼式康复机器人相当于为患者的偏瘫肢体提供了一层外置骨骼，用刚性结构的 特点来支撑和辅助患者肢体进行康复训练。由于外骨骼机器人需要穿戴在患者肢体上辅 助患者进行康复训练，因此机器人的设计要符合人体工学的设计要求，满足肢体的运动 要求的同时，要时机器人能与患者的肢体完美结合，防止机器人对患者肢体造成二次损 伤。本章主要从解剖学的角度分别研究了人体上肢结构和手指结构，分析它们的生物特 点、组织部分、运动特点等，为下文外骨骼式康复机器人的设计打下医学基础。 2.2人体上肢解剖学分析 2.2.1组织结构分析 人体上肢结构十分复杂，主要由肌肉群、骨骼、连接骨骼的韧带、肌腱、起保护作 用的软组织以及皮肤组成，如图 2-1所示。肌肉组织主要有肩部及胸部肌肉群、肱二头 肌、肱三头肌、内屈肌肉群等肌肉组织组成[19]。骨骼肌作是上肢运动的源动力，其运动 主要为直线往复单向的方式，由于肌肉组织之间作用大多数情况不是单一出现，往往存 在耦合运动，因此被我们称之为肌肉群。在肌肉群中主动肌是以自身张紧来为其他肌肉 驱动建立支撑条件的。例如，肘关节屈曲运动时，肱二头肌、肱肌和肱桡肌等屈肌发挥 作用，伸展运动时，肱三头肌发挥主要作用，而这些驱动肌肉并不是位于肘关节而是位 于上臂。上肢关节在相关肌肉的外力作用下运动，并且不用承载驱动肌肉的质量，因此， 关节结构紧凑、质量小，具有较高的承载能力和速度。 图 2-1人体上肢组成[19] - 12 - 第二章人体上肢生物学分析 骨骼主要包括肩骨、上臂骨、前臂骨和手骨等，他们通过韧带连接形成带有自由度 关节结构，分别为肩关节、肘关节和腕关节。上肢运动主要是靠关节的运动形成的，因 此有必要针对每一个关节的特点进行分析。 2.2.2运动分析 (1)肩关节由肱骨头与肩胛骨的关节盂构成，是典型的球窝关节，主要分为肩肱 关节、盂肱关节、肩锁关节、胸锁关节等 。肩关节是人体所有关节运动范围最大和 [20] 活动最灵活的关节，主要包含三个自由度，可以做前屈、后伸、内收、外展、内旋、外 旋以及环转等运动，如图 2-2所示。 图 2-2肩关节运动[20] (2)肘关节主要由肱骨下端和尺骨、桡骨等构成，主要包括三个关节，即肱尺关 节、肱桡关节和桡尺近侧关节等[21] 。肘关节是连接上臂部分和前臂部分的最主要关节， 主要为滑车式关节，依靠软骨之间的相对运动来实现关节的运动。肘关节可以实现两个 个自由度，主要分为弯曲和伸展运动，以及前臂的内收外展运动。如图 2-3所示。 图 2-3肘关节运动[21] (3)腕关节是典型的椭圆关节，主要由舟骨、月骨、桡骨以及尺骨头下方的关节 盘构成[22] 。腕关节是人体较小的关节，主要用来连接前臂和手部。由于其结构相对较小， 关节相对与其余两个关节则更容易受到损伤，恢复难度也相对较大。腕关节的运动主要 有弯曲和伸展，内收和外展四个运动，如图 2-4所示。 - 13 - 第二章人体上肢生物学分析 图 2-4腕关节运动[22] 三个关节运动范围表 2-1所示，本课题所设计的外骨骼上肢康复机器人主要针对肘 关节和腕关节进行设计，满足两个关节 3个自由度的运动。 表2-1上肢关节的运动参数[19] 关节 自由度 参考基准 正常活动度 功能活动度 矢状面 外展 外展 水平运动 肩关节 0~180? 0~105? 内收 内收 竖直运动 水平面 0~50? 0~45? 旋转运动 矢状面 上摆 上摆 0~60? 0~45? 屈伸运动 垂直轴 下摆 下摆 肘关节 0~180? 0~115? 伸 伸 旋转运动 矢状轴 0~20? 0~5? 内旋 内旋 内旋 内旋 0~90? 0~50? 0~90? 0~80? 腕关节 弯曲运动 垂直轴 外旋 外旋 外旋 外旋 0~90? 0~50? 0~80? 0~50? 侧偏运动 冠状轴 掌屈 掌屈 屈 屈 0~75? 0~15? 0~150? 0~150? 掌伸 掌伸 0~70? 0~30? 尺侧偏 尺侧偏 人体手指解剖学分析 0~35? 0~15? 桡侧偏 桡侧偏 0~20? 0~10? 2.2.1组织结构分析 人手的结构十分精细复杂，其主要由骨骼、韧带、肌肉、软组织和皮肤等组成 [23] 。 手指韧带主要用于连接指骨和限制指骨运动范围以起到保护指骨的作用。指骨长度可以 认为是恒定不变的，相邻的指骨通过关节连接在一起，并且每个关节有一个或者多个肌 肉驱动它运动。人手可以实现多种不同的姿态，主要是通过关节控制指骨位置的变化， 因此研究人手运动主要是研究骨骼和关节。 - 14 - 第二章人体上肢生物学分析 图 2-5人体手指骨骼结构 人体手指骨骼结构主要包括，指骨、掌骨、钩骨和三角骨等，如图 2-5所示。在手 指运动中，骨骼结构起到非常重要的作用，它们不仅支撑肌肉组织和血管等，而且提供 自由度运动，骨头结构和关节决定了人手的运动功能。人手总共有 27块骨头，其中拇 指有两块骨头组成了两个滑车状关节，其余四个手指有三块骨头分别组成 2个滑车状关 节和一个双球窝型关节。在医学上，通常把两个不同的滑车状关节分别叫做近端指尖关 节(PIP)和远端指尖关节(DIP),双球窝型关节叫做掌指关节(MCP)[24]。 2.2.2运动分析 人体手指总共包含有 20个自由度，MCP关节还有两个旋转轴线，为了表示清楚将 轴线分别命名为 MCP-1和 MCP-2，可以实现手指的内收和外展运动，以及弯曲和伸直 运动。除了 MCP关节外，PIP关节和 DIP关节都含有唯一的运动轴线只能实现手指的 弯曲和伸展运动，如图 2-6所示[25]。 (a)伸展 (b)弯曲 图 2-6手指伸展和弯曲运动 人手运动约束主要包含两种。第一种是由于手指生理结构而造成的运动范围的 约束，其主要是防止手指运动过度造成损伤，各个手指的运动范围如表 2-2所示。第二 种约束是在手指运动中存在一种耦合约束，比如当手指食指弯曲，中指也会在耦合作用 弯曲一定的角度。除此之外，根据 Lee研究可得[26]，在手指运动中，远端之间关节的弯 - 15 - 第二章人体上肢生物学分析 曲角度和近端指尖关节的弯曲角度可能存在一定的数学关系如下所示: 2 ,远 , 0.46，,近 (2-1) ，0.083，,近 表 2-2手指关节的运动范围[25] 关节 MCP PIP DIP CMC -15~30 弯曲/伸展 0~90 0~110 0~90 (度) 内收/外展 ---- ---- -15~15 -10~15 (度) 2.3本章小结 本章结合人体生物学知识，主要分别介绍了人体上肢和手指的组成结构和运动特点， 通过分析它们的骨骼特点、关节运动以及运动范围来总结出在外骨骼康复机器人设计和 运动中所要注意的事项，为机器人的设计打下医学基础，使机器人更加符合人体工学的 设计要求，能与患者的肢体完美的结合。 - 16 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 3.1 引言 外骨骼式上肢康复机器人是依据现代康复医学理论进行研究，该机器符合人体工学 的设计特点，利用机器人技术来辅助偏瘫患者进行康复训练并对患者的康复情况进行科 学评价。虽然现在康复机器人还不能完全代替理疗师的工作，很多细微工作还需要理疗 师来完成，但是利用康复机器人能够帮助其完成重复性强、工作量大的康复训练工作， 不仅减轻了理疗师的劳动强度，而且对患者的恢复情况可以建立科学的评价体系。 本章首先提出了一套便携式外骨骼上肢康复机器人系统，并对系统的各个组成部分 进行介绍。然后，文章详细介绍了该康复机器人系统的康复训练过程。最后，针对系统 的主要组成部分机器人结构进行详细设计，主要包括人体工学要求、材料及驱动方式的 选择，传动方式以及设计校核等。 3.2外骨骼上肢康复机器人系统介绍 3.2.1外骨骼上肢康复机器人系统组成 本文针对不同时期的患者主要提出两种康复训练系统 ,分别为主从式康复训练系统 和独立式康复训练系统,如图 3-1和 3-2所示[27]。前者主要是针对早期病情比较重的患者， 其肢体没有知觉，只能靠理疗师的辅助进行康复训练，针对这一特点提出了主从式的康 复训练系统。然而，在恢复训练进入到中期和晚期时，患者肢体有一定程度的自我运动 能力，此时可以使患者根据自己的需要进行康复训练，因此提出了独立式康复训练系统。 图 3-1双边式康复系统框图 - 17 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 图 3-2独立式康复系统流程图 图 3-3和图 3-4为上述提出的系统的实际图，系统主要组成包括六自由度触 觉感受 器(Phantom Premium)、外骨骼上肢康复机器人、虚拟现实系统、电机控制单元、脑电 信号系统、肌电信号系统和一些相关传感器。该系统偏瘫患者提供一套从“测试-训练- 评价”的科学康复策，即控制信号来源于患者本身，然后通过机器人辅助患者进行训练， 再通过患者的生物信号来评价患者的康复情况，再通过患者康复情况来制定下一阶段的 康复训练。除此之外，康复系统整体结构相对于现有的系统比较小，且患者可以实现在 家中进行康复训练的目标[28] 。 图 3-3双边式康复系统实物图 图 3-4独立式康复系统实物图 - 18 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 3.2.2上肢康复机器人系统各部分的作用 1)六自由度三维操作器 PHANTOM Premium 1.5是由美国 SensAble Technologies 公 司开发的，其具有力反馈作用，在主从系统中作为主端进行位置信息的输入，如图 3-5 所示。PHANTOM Premium 1.5主要由手柄、连杆机构、基座等部分组成，计算机发送 控制信号驱动电机进行运动，使连杆产生六自由度的运动，并将输出力直接反应给操作 者。PHANTOM Premium 1.5的主要技术指标如表 3.1所示[29]，对于上肢康复系统来讲， 理疗师用其作为系统输入部分，通过位置的改变控制机械臂执行康复训练，其较大的工 作空间(19.5×27×37.5厘米 3)可以保证患者健侧或医生能够自由地三维空间内执行运 动。 图 3-5 Phantom Premium 表 3.1 Phantom Premium 1.5的主要技术指标 19.5×27×37.5厘米 工作范围 平移摩擦力 0.04牛顿 3 硬度 最大作用力 3.5牛顿/毫米 8.5牛顿 连续作用力 0.03毫米 1.4牛顿 3D分辨率 2)为了减轻系统的体积和减轻机器人的重量，在机器人的驱动方面选择电机驱动 的方式。我们选用的电机为 Maxon公司的具备高功率比和高减速率的无刷直流电机和 相应的控制器[30]，如图 3-6所示。电机控制器具备模拟输入/输出和数字输入，可以通过 电机控制器的软件界面设置控制方式、电机转速等，实现外部高低电平输入控制电机在 设定转速下的正反转、电位器控制电机实时转速、转速大小通过等比例的电压进行模拟 量输出等多种功能。电机及其控制器使用非常方便，PID调节性能良好，质量小，力矩 /功率大，是一款适合进行转速控制的电机，缺点是不能进行位置控制，难以支撑外骨骼 机械臂肘部关节的运动。 - 19 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 图 3-6 Maxon电机控制器和电机 3)MTX传感器是微型的 3自由度的定向单元，可以通过反应某一物体的位置信息、 速度信息、加速信息和磁场等，其大小只有 38×53×21毫米，重量仅为 30克，是适合测 量人体各部分运动的便携式工具，如图 3-7所示。在系统中主要用于测量大关节的 PVA (Position，Velocity，Acceleration)信息，根据获得的信息可以观察患者的肢体运动情 况。 图 3-7 MTX传感 器 4)脑肌电设备(EMOTIV)是由美国的 Emotiv公司(Emotiv, Inc.)研制开发，型 号 Emotiv Epoc是具有便携性，如图 3-8所示。EMOTIV主要是运用非侵入性的脑电波 仪(EEG)来采集并分析用户的脑电信号，分析用户大脑某一获得的特点通过无线传输 至电脑中，并用该信号作为其他控制装置的信号输入[31]。Emotiv Epoc输入接口主要有 14个带有盐水电机的脑电帽和 2个参考电机组成，穿戴之后可通过电脑屏幕中的虚拟电 极点来判断是否接触良好。Emotiv Epoc脑电帽内置有 2维陀螺仪传感器和续航能力达 12小时的大型锂电池。厂家提供了软件开发包，可以检测 Expressiv，Affectiv和 Cognitiv 信息。Affectiv信息是用户的情感状态信息，如，警惕性，注意力，刺激，利息等。Expressiv 是用户的表达情况的信息，例如眨眼、微笑、大笑等 [32][32]。Cognitiv是用户的认知状 况的信息，是用户有意图的想法和意图，用户只通过想象虚拟或真实的物体的某种动作， 如推、拉、吊等。在系统中，脑肌电设备主要用于采集患者脑电信号，并用来控制机械 结构进行运动，同时通过外界刺激患者大脑由于患者大脑的康复，如图 3-9。 - 20 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 图 3-8脑肌电采集 器 图 3-9脑肌电软件界 面 5)系统还主要包括其他几种相关传感器，例如弯曲传感器和力传感器，如图 3-10 所示。前者是由美国 Spectra Symbol公司研制的，其主要有柔性电路板，弹性元件，传 感器组成，通过改变传感器组织的变化来测量弯曲角度。后者是用来监测康复训练中的 机器人和患者的之间的作用力，以此来保证康复训练的安全性。 图 3-10弯曲传感器和压力传感器 - 21 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 3.2.3机器人系统康复训练过程 本文提出的外骨骼上肢康复机器人系统主要包括两种训练模式，分为双边式和独立 式，前者主要针对偏瘫患者的前期康复训练，患者肢体没有运动能力只能靠理疗师辅助 患者完成康复训练，而后者主要针对偏瘫患者的中期和后期的康复训练，此时患者肢体 已经有一定的知觉可以完成一些简单的康复训练，患者可以通过自己的脑电信号控制机 器人辅助完成一些阻力运动，图 3-11和图 3-12为两种训练模式的控制框图。 [33] 图 3-11双边式训练模式控制框图 图 3-12独立式训练模式控制框图 在双边式的训练模式下，患者的健侧或者理疗师控制六自由度三维操作器 Phantom， Phantom将运动信息传递给工作站里的虚拟现实系统，系统对运动信息进行处理变成控 制信号传递给电机控制单元，并控制穿戴在患者偏瘫肢体上的机器人运动，辅助患者完 成康复训练。同时，惯性传感器 MTx用来检测患者的运动信息，调节康复训练的运动 强度，力传感器则用来确保康复训的安全性，防止对患者的肢体产生损伤。肌电分析系 统采集并分析患者的肢体生物电信号，通过改信号评价患者肢体的恢复情况，并且理疗 师根据这些信号为患者制定更加科学的康复训练模式。独立式的训练模式只是在运动信 号的采集和输入与双边式不同，人机交互系统通过视觉界面刺激患者的大脑产生脑电信 - 22 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 号，脑电信号系统采集并分析患者的大脑信号，然后传递给虚拟现实系统转换成控制信 号传递给电机控制单元，并控制康复机器人辅助患者进行康复训练。除此之外，系统加 入了薄膜式弯曲传感器用来检测患者肢体的弯曲角度，用来提高康复训练的安全新。 3.3外骨骼上肢康复机器人设计 3.3.1人体工学设计 作为机器人系统最主要的部分，外骨骼机器人是要与患者偏瘫上肢直接接触，相当 于为患者上肢提供一层外置骨骼，起到支撑和保护上肢的作用。因为要穿戴在患者的肢 体上，整个机器人结构应该尽可能的简单和质量轻便，机器人要能与人体上肢完美结合， 且易于穿戴。因此,外骨骼上肢康复机器人的设计不仅要符合人体工学的特点，而且要满 足康复训练的要求[34]。 图 3-13外骨骼上肢康复机器人虚拟模型 本文所设计的针对患者上肢的康复机器人主要包括上臂、前臂和手腕三个部分，如 图 3-13所示。机器人可以辅助患者实现肘部和腕部的三个自由度,包括肘部的弯曲和伸 展运动,腕部的弯曲和伸展运动,以及腕部的旋内和旋外运动,如图 3-14所示。除此之外， 该机构还包含 4个被动自由度，两个在肘部(一个旋转一个平移)，其余两个在腕部。 设定被动自由度主要是因为肘关节在弯曲的时候，会导致肘关节的弯曲和伸展运动的轴 线和腕关节弯曲和伸展运动的轴线之间产生因人而异的物理位置差异。在上臂和前臂零 件处都设计有长方形的孔，孔的位置也考虑了人体运动和集中受力的影响，患者可以通 过该孔用弹性带子固定在患者的手臂上，且机器人不属于封闭装置则有利于患者穿戴。 3.3.2材料和驱动方式选择 为了减轻机器人的自身重量，在机器人的材料选取方面尽量选择密度小的材料，因 此机器人整体机身主要采用铝合金材料，传动轮部分主要采用有机树脂材料，轴套等紧 固件为尼龙材料。除此之外，腕部处还有几个不锈钢材料的滚动轴承。由于采用了上述 的轻质材料，整个机器人的重量仅为 1.4Kg，不会给患者肢体添加额外的负担。 - 23 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 (a)肘部伸直/弯曲 (b)腕部旋外/旋内 (c)腕部伸直/弯曲 图 3-14外骨骼上肢康复机器人三自由度运动 在机器人的机电一体化设计中，驱动方式是实现整个系统运动功能的重要环节，由 于本课题设计的上肢外骨骼康复机器人与患者患肢肢体直接接触，两者的运动是协调一 致的，因此在保证完成预设的动作前提下，还必须要求驱动系统响应速度快，动态性能 好，灵敏度高。从安全、舒适、方便的角度考虑整个驱动系统应该具备体积小、质量轻、 效率高、自控性能强、可靠度高、无污染的特点。目前的驱动方式大体分为三种:电气 式驱动、气压式驱动、液压式驱动。下面将对三种驱动方式加以介绍对比: 1(电气式驱动:电气式驱动是利用电机产生驱动力动力，直接或者间接的驱动负 载，由电能转化成动能驱动机构运动。电气驱动控制方便、精度较高、容易检测传递信 号、无污染且体积小的优点。缺点是对不同的电机有不同的要求，比如直流有刷电机换 向时会有火花产生，防爆性能较差，交流电机发生转向时容易烧坏电机等等。 2(气压式驱动:气压式驱动的工作介质是压塑性气体，能源供应容易，系统设置 回收管路，能够保证整个系统成本低并且清洁无污染。但是气压驱动中气缸的行程只有 两个极限位置，不能实时控制位置，且驱动系统体积较大需要外置一个大型的气压缸， 另外排气时伴随着噪声。 3(液压式驱动:液压式驱动是油管连接，借助开关阀或者变量泵可实现大范围的 - 24 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 无极调速，调速范围可达 1~2000。借助各种控制阀容易实现自动化，并可以实现过载保 护，传递运动较为平稳，整体装置重量轻，结构紧凑，惯性小。但是液压系统中的漏油 现象直接影响机构运动的平稳性和正确性，不能保证液压传动比，并且造成一定的环境 污染。液压传动需要单独的能源，不像电动式可以随时获得能源，发生故障也不易检查 和排除。 本课题上肢外骨骼康复机器人系统主要用于康复训练，且机器人要和患者直接接触， 根据系统的设计要求，机器人要结构简单，质量轻便且具有便携性，能实现患者在家中 进行康复训练的目标，综合各种驱动方式的优缺点，最终选择电气驱动作为主要驱动方 式。因为本课题所设计的机器人，运动过程的速度要求不是很高，整体的运动精度也不 要求像工业机器人那样的高精密性，当时因为要辅助患者大关节进行康复训练，则要求 一定的转矩及位置信息的控制反馈。因此，选择 Maxon公司的具备高功率比和高减速 率的无刷直流电机和相应的控制器来实现上肢康复机器人的三个自由度的运动，电机安 装位置如图 3-15所示，分别在肘部有一个电机和腕部有两个电机。 (a)背面 (b)正面 图 3-15外骨骼上肢康复机器人样机 - 25 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 3.3.3传动机构的设计 作为整个机器人结构的执行部分，传动机构的设计不仅要满足传动效率高、振荡小、 安装简单等特点，还要考虑机构的柔顺性以满足机器人能更好与肢体进行贴合。现有的 上肢康复机器人传动机构主要分为连杆式、齿轮式以及腱鞘类钢丝绳传动。他们由于自 身的特点都处在一些问题，比如连杆机构由于其运动特点容易产生运动死点的问题，导 致机构的运动范围无法达到康复训练所需的要求，齿轮机构由于两个齿轮需要相互啮合 才能传递运动，这就限制了机器人的尺寸，且齿轮传动容易增加机器人机构的复杂性， 腱鞘式钢丝绳传动方式需要外置一个驱动机构，通过带有轴套的钢丝绳传递驱动力，这 使得系统结构过大且繁琐的钢丝绳安装过程复杂，不利于患者的穿戴。 根据上述传动机构的不足，本文主要采用微型钢丝绳传动机构。微型钢丝绳以多圈 和多组方式呈交叉以 8字型缠绕主动和从动轮，以提高负载能力，两轮分别开有钢丝绳 导向凹槽[35]。此外，驱动系统利用绳与轮的摩擦力来传递扭矩，并采用高度刚度弹簧拉 紧钢丝绳以及补偿绳的伸长。这种钢丝绳传动的主要有以下优点: (1)传动绳采用高刚性的材料以提高系统的传动精度; (2)传动轮大多采用圆柱形等规则结构，易于加工且成本较低; (3)负载由多股钢丝绳分担，使传动平滑，效率高; (4)钢丝材料对温度变化不敏感，即使在高温环境下变化较小，可以稳定工作; (5)由于钢丝绳传动不用在封闭环境下进行，不用考虑润滑和密封的因素，且不产生 噪声，维修方法简单。 本文介绍的上肢康复机器人正是利用了微型钢丝绳精密传动的设计灵巧性和转动 中的高精度特性，由钢丝绳索将动力传递，并通过导向轮的设计来引导钢丝绳索走向， 最终将电机的传动动力按设计要求输出到外骨骼机械上肢的腕关节和肘关节处，完成上 肢肘部和腕部所需的三自由度运动，如图 3-16所示[36]。机器人结构紧凑，在减轻质量 提高做功能力的同时，增加了关节的运动范围。 机器人的传动关节采用大轮为无槽轮和小轮为螺纹槽轮的缠绕方式，且小轮为主动 轮与电机同轴，大轮为从动轮连接着肘关节和腕关节。电机将运动传递给小轮，小轮与 大轮采用 8字型的钢丝传动方式实现关机的运动。在传动中，钢丝绳从带有螺纹结构的 小轮出来，并且通过螺纹槽延小轮进行轴向的运动。但是，由于大轮采用无槽轮，钢丝 绳的轴向偏移会使其从大轮上脱落，因此在传动设计时要注意参数的选择和以下几项问 题: (1)有效传动条件 在微型钢丝绳传动中，绳槽的不匹配使得绳在两轮上轴向移动距离不一致，最终导 致传动失效。在设计中，为了保证轴向移动的近似相等，在设计两轮的螺旋槽时 (光筒 螺距近似等于钢丝绳直径的螺槽 ) ,两轮螺旋槽螺距应满足下面的公式的关系才能保证 绳在两轮的轴向位移近似相等[37] 。 i= RR p1 1 , (3-1) p2 2 R1, R2 ---大轮和小轮的半径; - 26 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 (a)肘部 (b)腕部 图 3-16上肢康复机器人关节钢丝绳配合 p1, p2 ---大论和小轮的绳槽螺距; i= RR p 1 1 , p (3-1) 2 2 R1, R2 ---大轮和小轮的半径; p1, p2 ---大论和小轮的绳槽螺距; 又因为式: p t a ,n = (3-2) 2,R 可得: (3-3) ,1=,2 ,1,,2 ---大轮和小轮的螺旋升角; 因此，传动轮的螺旋升角度相等是保证传动平稳，减少钢丝绳在槽轮上轴向平移的重要 保证。 (2)钢丝绳和槽轮尺寸的选用 在微型钢丝传动中，钢丝绳的规格的选择是通过计算在传动过程中的钢丝的受力状 况来决定的。钢丝绳传动可以近似看作是带传动的一种变异，因此可以采取带传动中的 受力分析方法。设 F0为钢丝绳的预紧力, F1为紧边拉力， F2为松边拉力。工作时松、紧 边拉力不相等，但由于钢丝绳总长度不，紧边增加的长度应该等于松边缩小的长度，假 - 27 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 设钢丝绳服从胡克定律可得[38] : F1 , F0 , F0 , F2 (3-4) 设传动负载力矩为 M，主动轮直径 D，钢丝绳组数 n，绳与轮的当量摩， 擦系数, 绳与槽轮接触弧所对应的中心角,0，绳的线质量q，转动速度 v，可得: F0=1000M(e,, +1)， qv 2 (3-5) nD(e,,-1) 2 由于钢丝传动速度一般小于 10m/s，所以通常忽略离心的影响。由欧拉公式 ,, 力 qv 可得: F1 / F2 , e F0e,, F1 , (3-6) ,, ,1 e F0 F2 , (3-7) e,, ,1 所以可以计算出钢丝传动中的最大有效拉力 Fmax为: 4F0 max=2F0 , (3-8) Fe,, +1 进行选择。 因此，钢丝绳的规格可以跟结公式d=c Fmax c ---选择因素(通过机械手册查询); d ---钢丝绳最小半径; 根据一些传动的选用原则，传动轮的半径至少是钢丝绳半径的 16倍。 (3)传动中心距,的选择 在一些配合传动中，例如齿轮传动，带传动等，中心距的选择是保证传动平稳，减 少传动振荡的一项重要参数，因此要选择出合理的中心距的参数。 根据文献[39]可知，传动中心距选择跟钢丝绳与绳槽的偏斜角有关。查询机械手册， , 为减少钢丝绳在传动轮上的偏移，必须使, , 3:。通过推导可得中心距,选择公式: ， i ， 1 ，R 2 ip2 p2 , 2, arccos p2 , , =arctan 2,R2 ， arctan (3-9) i 2 , 2 ,， ， ， i ，1 i 1 2R2 , , 3:，实际传动的中心距应大于计算的中心距。 为保证 根据上述设计要求，本课题所设计的外骨骼上肢康复机器人在三个关节处微型钢丝 绳结构的配合参数如表 3-1所示 表 3-1上肢机器人关节传动轮配合 主动轮半径 从动轮半径 钢丝绳直径 R1(mm) R2(mm) (mm) 7 15 5 1 2 6 42.5 3 3 5 15 1 - 28 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 3.4外骨骼手指康复机器人设计 3.4.1人体工学设计 根据上述的研究，人体手指运动主要为五个手指的弯曲和伸展运动，手指的三个关 节(除大拇指有两个关节)均含有一个自由度，可以完成弯曲和伸展运动。本文所研究 的手指机器人首先考虑单指的运动，以食指为主要的研究对象。机器人主要根据人体手 指尺寸设计，主要包括手掌部分，第一指节、第二指节、第三指节等，指节之间通过连 接轴形成机器人的三个关节，包括掌指关节、近端指间关节和远端指间关节 ,如图 3-17 所示。机器人的自由度设计上主要包含三个主动,分别为 MCP关节,PIP关节和 DIP关节 的弯曲和伸展运动,由于手指相对于上肢在结构上比较简单,因此不用设计被动自由度以 更好满足手指的运动。在手指机器人的每一个指节都设计有调节槽,可以通过组合满足不 同患者的手指长度的需求 ,与此同时患者可以用弹性带通过指节部分设计的长方形开槽 穿戴在患者的手上。手指末端设计有弧形的部分，患者手指指尖可以固定在弧形部分使 得患者穿戴更加舒适[40]。 图 3-17外骨骼手指机器人样机 图 3-18手指机器人的三自由度运动 - 29 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 3.4.2材料和驱动方式选择 由于机器人是穿戴在患者手指上的 ,因此要减轻机器人的质量防止对患者的手指造 成损伤。在材料的选择方面，手指机器人和上肢机器人同样主要采用了铝合金的材料， 另外还有一些尼龙材料的轴套用来起到固定的作用，机器人的总重量仅为 104g。因为设 计的手指康复机器人要具有便携性，所以在驱动器的选择方面同样采用了电机驱动的方 式，同样为 Maxon公司的无刷直流电机，这样不仅减小了机器人的大小使机器人结构 更加紧凑，而且满足了手指机器人需要高驱动力，高精度定位以及高信息反馈的要求。 在考虑电机位置时，由于手指结构相比于上肢大关节要脆弱，因此防止用手指关节去承 担电机的重量，我们将电机固定在手背部分，用手背部分去承担电机重量以免手指受损 如图 3-18所示。 3.4.3传动机构的设计 根据上述所述的目前康复机器人传动机构所存在的缺点，本课题设计的手指康复机 器人主要采用微型同步齿形带传动机构，如图 3-19所示。此类传动机构集合了带传动 和齿轮传动的特点，不仅可以进行长距离的动力传动并且具有高的传动效率，而且结构 简单易于安装。 (a)PIP关节 (b)MCP关节 图 3-19机器人同步齿形带 图 3-20手指机器人传动结构 - 30 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 外骨骼手指康复机器人的系统传动结构图如图 3-20所示[41] ，在此传动结构中总 共有 7个同步带轮，图中的T1到T R 1 T 到 R7表示带轮的半径。因为同步齿形带传动机构与齿轮机构类似，所以齿轮的设计 7表示带轮的转矩， 1主要表示为电机方法同样适用于同步带机构。因此电机转矩可以通过下面的公式获得: 的转矩， 6 P T , 9.55，10 (3-10) n n 其中 p指的是电机的功率，指的是电机的转速，相邻的带轮之间存在如下的 关系: Z2 1 n, R , T i12 , (3-11) Z1 n2 , 1 1 2 2 其中 Z指的是带轮的齿数，通过上述参数可以得出同步带轮的一些参数。 R T 根据机械设计手册，同步齿形带传动的设计计算主要是按带的强度来限制其单位宽 度上所承受的拉力，以此保证带的使用寿命，设计公式为[42] : 102Pc b , Ksv([F], Fc) (3-12) b v 式中指的是带宽(mm)，K P S指的是啮合齿数系数， C指的计算功率，表示带速(m/s)， 2表示单位带宽的离心拉力(N/mm [F]表示单位带宽的许用拉力(N/mm)， Fc )， ,qv q ,12，10,4m表示单位宽度、单位长度带的质量(kg/mm.m)， m表示模数。上述一 些参数可以通过机械设计手册进行查询。 齿形带的优化设计可按实际需要选不同的项目目标作为目标函数，本课题去带长为 目标函数，通过机械设计手册可以查询带长的设计公式为[43] : L , 2a，,(d1 ，d2)， (d2 ,d1) (3-13) 2 其中d1=mZ1和d2=mZ2表示配合带轮直径，a表示相邻带轮的中心距(mm)。为确定带 / 4a 长可取设计变量为: X ,[x1,x2] ,[Z1,a] (3-14) T T 则目标函数为: f , 2x2 ，,m(1，i)x1 / 2，m (i ,1) (3-15) x / 4x2 根据机器人的设计需要，目标函数的边界条件为: 2 2 2 (3-16) 可得:g1(X) , vmax ,n1mx1 /19100 1 (1)带速限制，由v , vmax (2)小带轮节圆直径的限制，由d1min , d1 , d1max可得: g2(X) , mx 1,d m (3-17) g3(X ) , d m a,x mx (3)中心距限制，由0.7(d1 ，d2) , a , 2(d1 ，d2)可得: g4(X) , x2 ,0.7m(1，i)x1 (3-18) g4( X), 2m (，1 i 1)x, max可得: g6(X ) , L , Lmin g7(X) , Lmax ,L(3-19) (4)带节线长度限制，由 Lmin , L , L (5)啮合齿数的限制，由Z , Z可得: g8(X ) ,[0.5m(i ,1)x1 / 6x2]x1 (3-20) min ,Zmin (3-21) (6)带强度的限制，由式(3-12)可得:g9(X ) , 6KsV ([F], Fc),102Pc - 31 - 第三章外骨骼上肢康复机器人系统设计 表 3-2同步带的相关参数 皮带型号 Z m 1 14 0.9 B58MXL 2 14 0.9 3 21 0.6 B45MXL 4 22 0.6 B40MXL 5 22 0.6 6 15 0.6 B50MXL 7 22 0.6 根据上述的设计方程，结合本课题所设计的机器人运动要求，可得带轮和皮带的一 些参数如表 3-2所示。除此之外，在机器人的 PIP关节处增加了两个微型齿轮(传动比 3:5)用来实现关节的弯曲和增加机器人运动的柔顺性。 3.5本章小结 本章首先提出了外骨骼上肢康复机器人系统，提出了两种针对偏瘫患者不同康复时 期的康复训练模式，并介绍了其主要的组成部分的作用。然后介绍了两种康复训练模式 的训练过程。最后主要介绍系统的最主要部分外骨骼上肢康复机器人，其主要包含两套 康复机器人分别上肢康复机器人和手指康复机器人，通过介绍其人体工学的设计、材料 和驱动方式的选择以及传动机构的设计过程等，提出机器人的具体。 - 32 - 第四章机器人的运动学分析 第四章外骨骼康复机器人的运动学分析 4.1引言 外骨骼上肢康复机器人的工作性质决定了其对运动学性能有着较高的要求，机器人 运动学分析主要是建立机器人末端与基座标之间随时间变化的位置关系。根据运动学分 析结构来正确控制个驱动关节的运动参数，从而使机器人末端与各关节之间运动相互协 调以实现预期康复训练要求。 运动学分析主要分为正向运动学分析和逆向运动学分析，前者主要是已知各关节的 运动信息来求解末端的位置和姿态信息，后者为根据机器人末端的运动参数，对各关节 的变化量进行求解。本章主要采用了正向运动分析，为了简化机器人运动模型，运用 D-H参数法分别建立上肢康复机器人和手指康复机器人的运动模型，利用运动学分析软 件 ADMAS对机器人的运动情况进行分析,并进行运动轨迹描述。 4.2上肢康复机器人的运动学模型建立 4.2.1 D-H参数法 D-H参数可以描述连杆式结构关节坐标与关节坐标之间的坐标变换，可以用 4×4齐 次变换矩阵来表示，通过矩阵相乘来得到末端位置到基座位置的坐标变换关系。为了描 述两个关节坐标的变换，需要 4个 DH参数来描述，如图 4-1。图中，轴 i-1是关节 i-1 的轴向量[44]。 轴i 轴i+1 Zi Zi+1 轴 i-1 ai Xi di αi θi ai-1 Zi-1 Xi-1 αi-1 图 4-1 D-H参数 法 - 33 - 第四章机器人的运动学分析 其中:ai为沿着 Xi的 Zi与 Zi+1的距离。αi是 Zi与 Zi+1绕 Xi的旋转角度(从 Zi旋转 到 Zi+1)。di为沿着 Zi的 Xi-1与 Xi的距离。θi是 Xi-1与 Xi绕 Zi的旋转角度(从 Xi-1旋转 确定完这四个参数后，就可以确定关节坐标系的变换关系，从关节 Ji-1到关节 Ji到的 Xi)。 变换矩阵可以描述为[45]: Tii,1 , Rot，xi,1,,，,Trans，a,0,0，,Rot，Zi,0，,Trans，0,0,d， ， c,i ,s,i 0 ai,1 ， , , i,1 s,ic,i,1 c,ic,i,1 ,s,i,1 ,s,i,1d Rii,1 ， ， P i , , (4-1) , , i , , , s,is,i,1 c,is,i,1 c,i,1 c,i,1di ， 0 , 1 ， , , 1 0 0 0 , , ， ， 其中，c,i , cos,i， s,i , sin,i， Ri 1 i, 是旋转矩阵， 4.2.2上肢康复机械臂的运动学分析 P i,1是原点位移变换矩阵。 i 图 4-2是上肢康复机械臂的运动关节示意图，R代表转动关节，机械臂主要包括图 中所示的三个运动关节，分别实现肘关节的屈伸、腕关节的屈伸、腕关节的旋内旋外。 R R R 图 4-2上肢康复机械臂的运动关节 经过简化，上肢康复机械臂的连杆坐标系如图 4-3所示，其中 Z0、Z1、Z3的轴方 向 朝向纸外。 - 34 - 第四章机器人的运动学分析 X2 X3 L5 X1 O2Z O3 Z2 3 L3 X0 O1 Z0 Z1 L2 图 4-3上肢康复机械臂的连杆坐标系 DH参数从该图中能够确定如表 4-2所示: 表 4-2 DH参数表 i αi-1 i-1 i θi ad变量 1 θ0 0 90? 1 0 2 L2+L4 0 90? L3 θ2 3 -90? 0 0 0 θ3 确定 DH参数后，可以确定每一个从关节 i到关节 i-1的旋转矩阵，带 入公式 4-1， 可以得到 ，,s1 ,c1 0 0， , ,s1 0 0,, c 0 1 , T1 , , 0 1 0, 0 , 0 1，, 0 ， 0 L3 ，c2 ,s2 0 ， , , 0 0 ,1 ,，L1 ， L ，, 4 , T2 , 0 ,s2 c2 , 0 1 , , 0 0 1 ， 0 ， ， c3 ,s3 0 0， , , 0 0 1 0 , , T3 , ,,s3 ,c3 0 0, 2 , 0 1，, 0 ， 0 (4-2) 关节i到关节i-1的各子矩阵决定了关节i坐标系相对于基坐标系的位置与姿态变换。 在确定了关节 i到关节 i-1的各子矩阵后，可以确定末端执行器到基坐标系的坐标变 换， 即 T3 , T1 T2T3 (4-3) 0 0 1 2 为了得到各连杆质点的雅可比矩阵，需要建立带有质点的连杆简化图，如图 4-4所 。 示[46] - 35 - 第四章机器人的运动学分析 L5 L6 L4 I3，m3 C3 C2 R3 I2，m2 L3 R2 C1 I1，m1 R1 L1 L2 图 4-4带质点的上肢康复机械臂简化图 图 4-4中标有 mi的地方是连杆质点所在，运算 D-H参数法同样可以得 到各质点到基 坐标系的变换矩阵: ，,s1 ,c1 0 c1L1， , , c 0 s1L 1 ,s0 1 , , T , 1 m1 , 0 1 0 0 , , , 0 0 ， 0 1 ， ，,s1c2 s1s2 c1 c1L4 ， c1L2 , s1L3， , , c c2 ,c1s2 s1 s1L4 ，c1L3 ， s1L 0 1 , , T , 2 m2 , 0 0 0 0 , , , 0 0 1 ， 0 ， ，, s1c2c3 ,c1s3 s1c2s3 ,c1c3 ， s1s2 L6 c1，c 3 , s1c2s3，，c ，L2 ， L5，, s1L3 1 , , c c2c3 , s1s3 ,c1c2s3 , s1c3 ,c1s2 L6 c1c2s3 ， s1c3 s L2 ， ，， ， ， L5，， L3c 0 1 1 1 , , , T m3 s2s3 s2c3 c2 s2s3L6 , , , , 0 0 0 1 ， (4-4) ， 4.2.3雅可比矩阵 一旦理解了正运动学的位置和姿态，并且在移动不同关节的时候，关节的速度将会 影响末端执行器的线速度和角速度，我们就能够利用不同关节轴的旋转来求得关节速度 和末端执行器速度之间的变换，即求雅可比矩阵[47] 。 雅可比矩阵可以由公式(4-5)所描述: v , Jvq , , J,q (4-5) Jv和 J,分别是平移速度相关的雅可比矩阵，转动速度相关的雅可比矩阵。可见，雅 可比矩阵主要描述速度(线速度和角速度)与关节转动角速度之间的转换关系。雅可比 矩阵可表示为: - 36 - 第四章机器人的运动学分析 , J , v J , , , J , (4-6) , 使用笛卡尔坐标系下，计算雅可比矩阵实际上就可以直接对公式(4-1)中的 Z向量 , (第三列向量)做微分得到 Jv。平移速度相关的雅可比矩阵就是这个向量变换到坐标系 0中表示的 Xp的导数。Xp包含末端执行器关节的 X，Y，Z。然后将 Xp导对 q1、q2到 qn进行偏微分运算。这就是与线性运动相关的雅可比矩阵: , ,xp ,xp ,xp , Jv , , , ,q1 ,q2 ,qn , , (4-7) 在坐标系 i中的 Zi是不变的，均为(0,0,1)，称之为 Z。当将 Z从坐 标系 i中变换到坐 标系 0中，那意味着(0,0,1)左乘从坐标系 i到坐标系 0的旋转矩阵。因此，转动速度相 关的雅可比矩阵可得到: 0 0 0 J, ,，,1， RZ， ,2， RZ， ,n， RZ，， 1 2 n (4-8) 这里，ε是 0或 1，当关节是转动关节时是 0，当关节是移动关节时是 1，,是 ε的 取反。 综上所述，可以得到雅可比矩阵为: , ,xp ,xp ,xp , , , ,q2 J , ,q1 ,qn , , 0 0 0 , , Z1 Z2 Zn ,1 ,2 ,n , , (4-9) 4.2.2节中的各连杆质点的旋转子矩阵对于雅可比矩阵的计算非常重要，将各子矩阵 通过代入(4-9)进行计算，可得各连杆质点的雅可比矩阵如下: ，,L1s1 0 0， , L1c1 0 0,, , (1) 0 0, ， , 0 ， J L Jm1 , , , , , 0 0,, (1) 0 J A ， ， , , , 0 0 0 , 0 0,，, , 1 ， L s 0 0 ， ，,，L2 ， ， , L3c1 4 1 , , L c 0 0 ， 4 1 , , (2) L2 ， ， , L3s1 ， ， , 0 0 , J 0 L Jm2 , , , , , , (2) J 0 c1 0, ， ， A , , , 0 0 s1 , , 1 0 , 0, ， ， - 37 - 第四章机器人的运动学分析 s1s2s3L6 ， ，,， c1c2s3 ， s1c3 ，L 6 ,c1L3 , s ，L2 ， L5， ， 1 , , s1c2s3 ,c1c3 L6 , s1L3 c L2 c1c2c3 , s1s3 L6 ,， ， ， ， ， L5， ,c1s2s3L6 ,，， s1c2c3 ，c1s3 ，L 6 , , 1 (3) (3) , , ,, ， J 0 c2s3L6 s2c3L6 , L Jm3 , , , 0 c1 s1s2 ，J , A , , 0 ,c1s2 s1 , , , 1 2 0 c, , ， (4-10) ， 4.3手指康复机器人的运动学模型建立 4.3.1手指康复机械人的运动学分析 手指康复机器人的运动模型同样采用了 D-H参数法,根据单根手指和机器人的运动 特点特点,可以将机器人模型简化成含有四个自由度的三连杆机构,如图 4-5所示。坐标 系 x0y0z0 , x1y1z1, x2y2z2 ,和 x3y3z3分别表示 MCP-1关节(内收外展运动)，MCP-2关节(弯 曲和伸展)，PIP关节以及 DIP关节的坐标系，同时 x0y0z0也表示基座标轴。由于机器人 设计自由度只有三个关节的弯曲和伸展运动，因此坐标系 x0y0z0的作用可以忽略，模型 的 D-H参数如表 4-2所示[48]。 图 4-5手指机器人模 型 表 4-2 D-H参数表 Joint , i (?) ,i (?) , l i (mm) i (mm) MCP-1 --- -- -- -- MCP-2 0 0 90 ,1 PIP ,2 0 0 l2 DIP ,3 l3 0 0 (End Effector) 根据上述 D-H方法的介绍，相邻连杆之间的变换矩阵为: - 38 - 第四章机器人的运动学分析 ，cos,i ,sin,i cos,i sin,i sin,i li cos,i， , , sin,i i ,cos, sin,i li sin, cos, cos,i Ti , ,, i,1, i i 0 sin,i ,i ,, cos,i , 0 0 0 1 (4-11) ， ， 通过表 4-2中的参数可以获得T1到T3的变换矩阵为: ，cos,1 0 sin,1 0， , , sin,1 0 ,cos,1 0 , , T1= 0 0 1 0 , , , , 0 0 0 1 (4-12) ， ， ，cos,2 ,sin,2 0 l2 cos,2， , , sin,2 cos,2 0 l2 sin, , , 2 T2= , , 0 0 1 0 (4-13) , , 0 0 1 0 ， ， ，cos,3 ,sin,3 0 l3 cos,3， , , sin,3 cos,3 0 l3 sin, 3 T3=, , , 0 0 1 0 , , , 0 0 0 1 (4-14) ， ， 因此可得手指末端到基坐标的变换矩阵为: ， c1c23 ,c1s23 s1 1 ，l 2c2 ，l3c23 ，， c , , s c ,s1s23 ,c1 s1 l2c，2 ，l3c ， (4-15) 0 , , T3=T1T2T3= 1 23 23 , , s23 c23 0 l2s2 ，l3s23 , , 0 0 0 1 ， ， 3 其中s表示sin，,2 ，,3，，c表示cos，,2 ，, ， 23 23 ，s1 , c1, s2 ,和c2分别表示sin,1 , cos,1, sin,2 和cos,2。 根据变换矩阵规律可得: ，TR TP， 0 T3=，, 0 1 , (4-16) ， 则机器人末端的位置可得: c l2c2 ，l3c23 ， ， ，， 1 (4-17) , , TP = s l2c2 ，l3c ， ， 1 23 , , , , l2s2 ，l3s23 ， ， 即: PX c l2c2 ，l3c23 , ， ， 1 (4-18) P , s ，l2c2 ，l3c23 ， Y 1 PZ ,l2s2 ，l3s23 - 39 - 第四章机器人的运动学分析 4.3.2雅可比矩阵 对方程 4-18进行偏微分可得机器人末端的雅克比矩阵为[49] : ， ,px ,px ,px ， , , ,, ,, ,, 1 2 3 , , ,, ,p , p y ,p y y J ，,1,, 2 ,, 3 ， , , , = ,,1 ,, 2 ,, 3 , , , ,pz , ,pz ,pz , , ,, 2 ,, ,, 1 3 ， ， ，,s1(l2c2 ， l3c23 ) ,c1(l2s2 ， l3s23 ) ,c1(l3s23 )， , , c (l2c2 ， l3c23 ) ,s1(l2s2 ， l3s23 ) ,s1(l3s ) (4-19) 1 23 , , , , 0 l2c2 ， l3c23 l3c23 则可以得到位移与角度的关系， [49] ， : ，dx， ，,s1(l2c2 ，l3c23) ,c1(l2s2 ，l3s23) ,c1(l3s23)， ，d,1， (4-20) , , , , , , dy , c (l2c2 ，l3c23) ,s1(l2s2 ，l3s23) ,s1(l3s ) d, 1 23 2 , , , , , , , , , 0 l3c23 , , , l2c2 ，l3c23 d, ， ， ， 3 dz ， ， ， 将方程 4-20两边分别除以dt可以得到手指机器人的速度关系为: ， ， , 1 , , ，v ， ，,s1(l2c2 ，l3c23) ,c1(l2s2 ，l3s23) ,c1(l3s23)， x , , , , , , V , v , c (l2c2 ，l3c23) ,s1(l2s2 ，l3s23) ,s1(l3s ) , (4-21) y 1 23 2 , , , , , , , , , , , , v 0 l2c2 ，l3c23 l3c23 ， ， ， z ,, , 3 ， ， ， 方程 4-21可以简化为: V =J, (4-22) 同理，可以得到机器人的加速度关系方程为: (4-23) A=J, 4.4基于 ADMAS的运动学 仿真 4.4.1上肢机器人肘关节运动轨迹验证 ADAMS/View中虽然自带了建模工具，但是它仅只能适用于几何形状简单的机构 建模，对于相对复杂的模型通常利用 Solidworks、UG等三维建模软件进行建模，然后 通过软件之间的无缝接口导入到 ADAMS中。ADAMS/View提供了 Parasolid、STEP、 IGES、SAT、DXF和 DWG等格式的模型数据交换接口，现在的三维 CAD软件基本 都能输出以上格式文件。本文主要利用 UG进行建模，然后转换成 Parasolid格式的数 据模型，然后再导入到 ADMAS中,如图 4-6所示[50]。导入到 ADMAS中的模型属于未 - 40 - 加任何约束的，在 UG软件中加的约束不能到如到软件中，需要手动再次添加约束。同 时，导入的模型要注意一下细节变化问题。 第四章机器人的运动学分析 图 4-5模型导入对话 框 (a)正面 (b)背面 图 4-7外骨骼手指康复机器人模型 导入到 ADMAS的外骨骼上肢康复机器人如图 4-7所示，本文主要对机器人肘关 节 和腕关节末端进行运动仿真。首先对模型定义材料属性，机器人所用到的材料如前边内 容介绍的。然后再在机器人上添加相关约束，主要有固定副、旋转副、耦合副等[51] 。最 后再加上驱动，在电机上设定往返运动的驱动函数指令“STEP (time, 0, -15d*time, 15, -225d)+ STEP (time, 15, 15d*time, 30, 150d)”，机器人肘关节将完成 30秒的往返运动，运 动轨迹如图 4-8所示。从图中可以看出，机器人肘关节运动平稳，且在往返运动中不存 在奇异点，符合人体肘关节的运动规律。 - 41 - 第四章机器人的运动学分析 图 4-8外骨骼手指康复机器人运动轨迹 ADMAS软件有着强大的后处理功能，通过后处理模块 ADAMS/Postprocessor， 输 出腕关节末端的运动参数如图 4-9所示。机器人在规定的运动模式下位移范围为 306mm~267mm，且可以呈周期的变化规律。速度范围为 0~41mm/s,同样呈周期变化， 最后为 0。加速度则变化不规律，在 15s波动较大。从图中位移曲线同样也可以看出机 器人运动无论正向运动还是反向运动轨迹平稳，不存在运动奇异点，可以满足往返的康 复训练要求。 图 4-9上肢机器人腕关节末端参数 4.4.2手指机器人末端运动轨迹验证 首先利用 UG软件建立了外骨骼手指康复机器人的虚拟模型，再通过两个软件的无 缝接口，把 UG模型转换成 Parasolid类型文件导入到 ADAMS中，如图 ADAMS软件中[52] 4-10所示。在 ，在旋转关节都加上旋转副，同步齿形带传动用耦合副代替，在电机 轴加上设定的驱动函数指令“STEP (time, 0, 15d*time, 5, 75d) + STEP (time, 5, -15d*time, 12, -100d)”，机器人将实现 8.5 s的往返运动，运动轨迹如图 4-11中白线所示。从图中 可以看出来，机器人同样能实现弯曲和伸展运动，且不存在任何运动死点问题，符合人 - 42 - 第四章机器人的运动学分析 体手指的运动轨迹和运动要求。 在 ADMAS软件的后处理功能导出手指机器人末端的运动情况，如图 4-12 所示， 其中包含了位移，速度和加速度等相关数据[53]。从图中可以得到，在设定的运动模式中， 末端在 x y平面方向上(模型 z轴方向固定)最大位移为 64 mm.速度和加速度随时间而 变化，机器人做弯曲运动在 2.5 s时速度达到最大值 44 mm/s，做伸展运动是在 8 s时最 大速度达到最大值 95 mm/s.加速度在 0 - 5 s趋于平稳，5 s之后呈快速上涨的趋势.从图 中的位移曲线也可以看出，手指机器人运动平稳，再改变运动方向时也没有存在太大的 振荡，因此可以用于辅助偏瘫患者经行往返的康复训练。 图 4-10 ADAMS中外骨骼手指康复机器人虚拟模型 图 4-11外骨骼手指康复机器人运动轨迹 - 43 - 第四章机器人的运动学分析 图 4-12手指机器人末端运动情况 4.5本章总结 本章主要是采用 D-H参数法分别建立上肢康复机器人和手指康复机器人的运动学 模型，即机器人运动末端与基坐标系的运动位置关系。然后用 UG软件建立了机器人的 三维模型并通过软件之间的无缝接口导入到运动学分析软件 ADMAS中，在 ADMAS 中对模型添加运动约束和驱动力，对机器人进行运动学分析并进行机器人轨迹描述，通 过轨迹结果以及运动参数的分析，可以验证机器人均可以满足患者的康复训练要求，机 器人的运动性得到验证。 - 44 - 第五章基于有限元方法的力学仿真 第五章基于有限元方法的力学仿真 5.1引言 外骨骼上肢康复机器人主要采用刚体结构，患者需要将其穿戴在肢体上才能辅助其 执行康复训练，由于在训练过程中机器人要与患者肢体直接接触，且会对患者肢体产生 力学影响，因此需要分析训练过程中的肢体的受力分布，找到应力集中的位置，通过改 进机械机构和训练方法来防止由于训练给患者造成二次损伤。 本章主要通过有限元分析的方法来分析肢体的应力分布情况，首先用 CAD软件建 立人体上肢和手指模型，再通过有限元分析软件 ANSYS对模型进行材料属性定义，网 格定义和网格划分，应力加载以及求解运算等，分析在不同弯曲角度下肢体的应力分布 情况，总结归纳应力集中点。通过上述结果可以进行机械结构的优化设计，以及建立最 佳的康复运动模式。 5.2机器人对于患者上肢的力学影响 5.2.1上肢肘关节力学仿真 通过前面章节的介绍，本课题设计的外骨骼上肢康复机器人主要实现上肢肘关节和 腕关节三个自由度的运动,包括肘关节的弯曲和伸展运动,腕关节的旋内和旋外运动以及 腕关节的弯曲和伸展运动。由于机器人的设计特点，机器人的主要重量由前臂部分承担， 这样在康复训练过程中的受力就会集中在患者的肘关节。根据医学知识可知，肘关节的 运动主要是依靠软骨相互之间的摩擦，长时间的运动会大量消耗软骨且软骨是不可再生， 这样就会对患者进行二次损伤，减缓患者的康复效果，因此有必要针对训练过程中肘关 节的受力进行分析，根据受力情况来建立科学的康复训练方法并对机构进行优化设计[54]。 利用 UG软件建立肘关节的模型，如图 5-1所示，其主要是由两个相贯的圆柱体组 成，然后将其导入到有限元分析软件 ANSYS进行静力学受力仿真。在 ANSYS中，首 到 ANSYS中并定义模型的属性为弹性模量 20MPa，泊松比为 0.263[55] 先需要定义单元格属性，在仿真中主要选择 solid186的单元格，然后将肘关节模型导入 ，在对模型进网 格划分，类型为四面体棱长为 2mm，如图 5-2所示。最后在前臂处加上恒定力 200N(非 真实值)，并仿真求和解在不同弯曲角度下肘关节的受力情况。 5.2.2应力分布和最佳运动模式建立 在仿真实验中，肘关节的弯曲角度主要选取 30?、45?、60?、90?、120?和 135?， 分析在不同角度下肘关节的应力分布情况，结果如图 5-3和图 5-4所示。从结果可以 - 45 - 看 第五章基于有限元方法的力学仿真 出，随着肘关节的弯曲角度增大，肘关节的应力也在增大，当肘关节弯曲角度为 135? 时，肘关节的应力达到最大值为 443.39MPa。当肘关节弯曲角度小于 90?时，机器人作 用于患者上肢力主要集中在前臂处，而当肘关节弯曲角度超过了 90?时，此部分力量主 要由肘关节承担，这样在长时间的往返康复训练中就会加速肘关节软骨的磨损造成不可 恢复的结果，这样不仅使患者康复恢复缓慢，而且会对患者的上肢造成二次的损伤。在 日常生活中，肘关节的弯曲角度范围主要集中在 60?到 120?之间，因此为了满足日常 生活所需的运动范围且减少肘关节软骨的磨损，康复训练的肘关节最佳运动模式(特别 在初期训练中)可以设定为 30?到 100?。 图 5-1肘关节三维模 型 图 5-2肘关节模型网格划分 - 46 - 第五章基于有限元方法的力学仿真 (a)30?和 45? (b)60?和 90? (c)120?和 135? 图 5-3肘关节应力分布图 图 5-4肘关节应力分布结果 - 47 - 第五章基于有限元方法的力学仿真 图 5-5手指模 型 5.2.3应力分布和最佳运动模型建立 在仿真实验中，定义β为 MCP关节的弯曲角(正常运动范围为 0到 100?)，α为 PIP关节的弯曲角(正常运动范围为 0到 85?)，通过选取 10组不同的α和β的角度值 从仿真结果可以看出，如图 5-7所示，随着 PIP关节和 MCP关节弯曲角搭配经行受力仿真，结果如图度的增大， 5-6所示。 两个关节所承受的应力也在同时的增大。当 MCP关节弯曲角度为 85?和 PIP关节弯曲 角度为 100?时，两个关节的应力达到最大值分别为 64.662MPa和 106.844MPa。当 MCP 关节弯曲角度不在改变时，随着 PIP关节的弯曲角度继续增大，MCP关节的应力也在 改变，这说明两个关节之间相互影响。同时，可以看出虽然最大应力集中的位置不是位 于关节处，而是在接近关节的位置，因此需要考虑最大应力的影响。当 PIP关节弯曲角 度为 100?和 MCP关节为 85?时，最大应力为 191.209MPa，且当 PIP弯曲角度超过 60? 和 MCP弯曲角度超过 75?时，最大应力值将会快速增长。如果应力值过大，它将会影 响患者的康复训练的效果，造成应力分布不均匀的结果，在长时间的往复运动情况下会 加速患者手指关节的软骨磨损，造成不可恢复的结果。这样同样会减缓患者的康复效果， 且会对患者造成二次损伤。因此，通过仿真结果，机器人辅助手指关节进行康复训练的 最佳运动范围为 PIP关节弯曲角度小于 60?和 MCP关节小于 75?。 (a) , =15o, , =0o (b) , =20o, , =15o - 48 - 第五章基于有限元方法的力学仿真 (c) , =30o, , =30o (d) , =40o, , =45o (e) , =50o, , =60o (f) , =60o, , =75o (g) , =70o, , =85o (h) , =80o, , =85o (i) , =90o, , =85o (j) , =100o, , =85o 图 5-6手指关节的应力分布 - 49 - 第五章基于有限元方法的力学仿真 (a)MCP关节应力曲线 (b)PIP关节应力曲线 (c)手指最大应力曲线 图 5-7手指关节的应力曲线 - 50 - 第五章基于有限元方法的力学仿真 5.3本章总结 本章分别分析了在康复训练中，机器人对与患者的上肢和手指的力学影响。首 先通过 UG软件建立肘关节的模型和手指两个关节模型，然后再将模型导入到有限 元分析软件 ANSYS中进行前期的处理。最后，通过在 ANSYS软件中仿真和分析在 不同关节弯曲角度下，关节的受力情况及应力分布，找出最大的应力集中位置，建 立在康复训练中关节的最佳运动范围，以减少关节软骨损伤防止对患者的关节造成 二次损伤，且同时可以促进患者肢体科学的康复。 - 51 - 第六章总结与展望 第六章总结与展望 6.1总结 本论文主要针对由于中风引起的上肢偏瘫患者的康复需求，在广泛查阅国内外关于 康复机器人的发展现状及存在问题的基础上，设计一套便携式外骨骼上肢康复机器人系 统。论文主要是针对系统中机器人的结构部分进行总体方案设计，分别介绍了机器人的 人体工学的设计要求，材料选择和驱动方式选择，以及传动方式的计算等，然后对机器 人进行运动学建模并用仿真软件进行运动学仿真，现将其具体内容总结如下: (1)文章首先介绍了本课题的研究背景、研究意义等，指出了本课题的研究方向， 然后根据对国内外关于外骨骼康复机器人的研究现状的研究，总结出现有外骨骼上肢康 复机器人存在的主要问题，明确了本文的设计意图。 (2)通过查询医学知识，对人体上肢和手指进行生物学分析，主要分析它们的生 物特点、组织部分、运动特点等，总结机器人设计所要满足的人体工学的要求，为下文 外骨骼上肢康复机器人的设计打下医学基础。 (3)首先提出了一套便携式外骨骼上肢康复机器人系统，并对系统的各个组成部分 进行介绍。然后，文章详细介绍了该康复机器人系统的康复训练过程。最后，针对系统 的主要组成部分机器人结构进行详细设计，主要包括人体工学要求、材料及驱动方式的 选择，传动方式以及设计校核等。 (4)采用D-H参数法分别建立上肢机器运动学模型和手指机器人运动学模型，并通 过动力学仿真软件ADMAS进行运动学仿真，分析其末端的运动轨迹、运动状态以及运动 参数等。 (5)利用 UG软件建立了人体上肢和手指的三维模型，并导入到有限元分析软件 ANSYS中进行力学分析，分析在康复训练过程中，机器人对患者肢体的静力学影响，找 出应力主要集中的位置，建立科学的康复方法防止由于机器人运动过度对患者造成二次 损伤。 6.2展望 本文通过对所提出的外骨骼上肢康复机器人进行三维建模及运动学仿真分析，验证 了模型样机的合理性，其运动功能基本能满足设计要求。虽然在前期工作中取得了一定 的成果，但是仍然存在着一些问题需要进行改进，其主要存在以下几个方面: (1)需要进一步缩小机器人系统的体积，优化机器人的结构、材料、驱动器等以 减轻机器人的重量，提高机器人的运动性能，完全达到便携式的要求。 - 52 - 第六章总结与展望 (2)现有机器人只是相当于一个开环系统，需要在机器人上增加一些传感器，在 确保训练安全性的同时，以满足更好的康复训练要求。 (3)建立机器人的动力学模型，引入更科学的控制策略，使系统达到最佳的康复 训练效果。 - 53 - 参考文献 参考文献 [1] American Heart Association. 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