上肢康复机器人设计（含CAD图纸proe三维图、仿真动画）
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摘要 外骨骼系统由多个与人体关节相似的关节组成的机械系统，通过与人体相连接而发挥功能，属于机器人的范畴，对其进行的研究活动就属于机器人研究领域分支。该系统能有效帮助身患残疾运动不便的人恢复运动能力，因为患者使用操作该系统，与身体之间能传递体力，一定程度上可以增强运动能力。 笔者在文中对人体上肢运动进行了全面的分析，主要是从实用性方面来进行的。笔者运用专业知识设计了一款可以依附于人体的上肢机器人，它能实现自由的转动，非常符合身体上肢的运动需求，便于人体的穿戴。通过深入分析可知，在设计该款机器人的时候，使用了 法，它属于连杆坐标系里的。依次为基础，创建了该款机器人的连杆坐标系图，并以此为基础，设计了机器人运动模型。除此之外，还对机器人运动的正逆问题进行了分析，推导除了的雅可比矩阵。当计算出机器人速率的前提下，使用该矩阵就能推算出它的尾端运动水平。机器人的工作空间受到连杆长度以及空间尺寸的影响，得出该结论，使用过使用图解法对其空间进行分析做出的。一般情况下，设计人员都是利用 计软件，来创建机器人系统结构模型。为了获取它的运动轨迹数据，设计者会进行仿真练习。除此之外，笔者还深入研究了机器人不同关节的相关 信息，以此为基础，绘制了关节的位置以及运动速度曲线。所有的数据收集和数据分析，都是从理论上证明了该系统的科学性，为之后的专业性研究奠定了理论基础。 关键词 ： 、康复设备、可穿戴式机器人、运动学分析 is of a of of a by to to of to of of to a in of a I to a be to of it a it is of of to s in of -H to of by a on of is in to is of of of be to its of is by of of a to In to a In to on In we of as a to 目 录 摘要 . 1 . 2 绪论 . 9 究背景与意义 . 9 内外研究现状及分析 . 10 外发展概况 . 8 外发展概况 . 13 在的问题 . 15 要研究内容 . 16 第 2 章机器人总体结构设计 . 17 器人的设计要求及原理 . 17 体上肢运动分析 . 17 器人设计原理 . 18 械人总体方案的设计 . 19 器人驱动方案设计 . 21 动方式的选择 . 21 动方案的设计 . 21 器人总体机械结构 . 25 章小结 . 26 第 3 章机器人的运动学分析 . 27 器人的运动学正分析 . 27 杆坐标系及连杆参数的确定 . 27 杆变换和运动学方程 . 29 器人的运动学逆分析 . 31 章小结 . 34 第 4 章运动空间分析 . 35 作空间的确定方法 . 35 节杆长对工作空间的影响 . 37 章小结 . 39 第 5 章总论与展望 . 40 结 . 40 望 . 41 构创新的展望 . 41 制创新的展望 . 41 致谢 . 43 参考文献 . 44 9 绪论 究背景与意义 最近几年，电子技术发展迅速，通过与结构学的相结合，研制出了机器人，成为现代科技的重要标志，在机电科学领域属于高端科研成果。科学家为了研制出机器人，综合运用了电子信息、自动化以及机械设计等各个专业研究领域的现金研究成果。现如今，专用于医学方面的机器人技术有了 突飞猛进的发展，这主要得益于与之相关的工程机械学、生物技术、电子信息技术、电脑职能技术以及其他与之相关的领域专业知识研究成果层出不穷，这些学科专业知识的发展，有力的推动了医疗专用机器人设备的发展。为了在医疗诊断和患者康复方面，工作水平有进一步的提高，科学家通过对不同学科最新研究成果的研究和分析，设计了机器人。最为常见的就是辅助病人身体康复的机器人，这类机器人的主要功能是帮助病人恢复运动功能，对伤害的肢体进行矫正。医用康复机器人分为两类，最主要的、使用最广泛的就是辅助机器人，它的主要使用者是年老体弱者或身有残 疾者，能充当肢体发挥部分运动功能，从而能基本应对平常的生活工作需要。 全球范围内，不少国家已经步入老龄化社会，联合国相关部分的数据统计显示，再过不到五十年，全球的老年人数量会翻一番。除此之外，因各种人为和自然灾害产生的残疾人数量也会激增，他们必须有专人服务，才能继续生活下去。现在所研制的医用机器人，一方面能帮助他们应对生活中面临的困难，另一方面能让他们重拾自尊，树立继续生活下去的自信心，保持良好的心态，面对生活工作中的一切艰难险阻。现如今，医用机器人主要包括肢体矫形器、运动假肢等四类的产品，将工学知识与医学 理论高度融合起来。医学理论和工科知识相融合，研制出了肢体康复机器人。因为研究的时间不长，与上肢康复机器人相比，技术还不是很成熟，产品种类也不多，只能在人体的部分关节使用，帮助手腕等关节恢复健康。另外，因为它是独立制作的，与人体手臂关节的配合度还不是很高，影响到了使用者的最佳体验。因为国内产品技术水平不高，为了满足实际的应用需要，我国从国外花高价购买了大量医疗辅助设备。总而言之，科技的发展日新10 月异，用于医用辅助设备研究的技术发展迅速，很多专业组织机构必然会加强该领域的研究，这就推动了医用辅助设备国产化的发展趋 势。 外骨骼系统属于机器人学的重要组成部分，它与我们理解的一般机器人有很大的不同。该辅助系统与人的身体关节有很大的相似性，在工作的时候会仿照人体运动形态，在活动范围上与人体也有极高的相似度。外骨骼与普通机器人很相像，对其概念的把握不是很容易。通常情况下，能附着于人体外面的，受制于人体的设备都属于外骨骼的范畴。该系统的主要特性如下：使用该系统，患者的运动能力大为提升，具备了能完成之前认为不可能完成的工作；它的抗阻性不高，对于使用者的正常活动不会产生很大的影响；它的接口设计的非常合理，使用者在运用的时候，会感 觉轻松自如，使用体验上佳，能让患者感觉与外骨骼是高度融合在一起的，而不是额外添加的一部分，实现了人体和外骨骼系统的有机统一；外骨骼使用寿命长 ,它具有足够的使用持久性、耐久性 ,可以多次充电 ,快捷简单易操作；外骨骼是使用很舒适的产品，它穿戴在使用者身上，给人一种很舒适、安全的感觉 ,而且使用很方便。综上所述，在患者运动能力康复过程中，外骨骼发挥的作用是巨大的。在该研究领域当中，研究人员通过使用对其评估结果，对患者的运动机能的提升方面的研究，已经成为核心内容。 课题的目的是设计一种上肢康复外骨骼机器人 ,通过可穿戴式 外骨骼带动患者的患肢运动 ,模拟日常生活中的手臂运动规律，实现手臂各关节的运动，加大对肌肉和神经系统的锻炼强度，确保该系统和人体的高度统一，从而达到最优康复训练效果。 内外研究现状及分析 从二十世纪六十年代开始，专家学者们就将机器人技术应用到了患者身体运动机能，虽然取得一定的进步，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，康复机器人的研究与开发开始得到绝大多数人的注意。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 成产品化并用于临床研究之中。 11 外发展概况 外国对机器人的研究开始比较早，从 1991 年开始，麻省理工学院设计肢机器人系统，它属于连杆类型的机器人，主要是对患者的肩膀和肘部进行恢复性治疗。一方面可以最大程度的降低操控方面的阻力，另一方面还能保障患者使用的安全。综上所述，该系统在帮助患者恢复运动能力方面具有显著的作用。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。 图 1瑞士苏黎世大学 人的不懈的努力研究下，于 2005 年成功研制了一套 坐式名为 外骨骼上肢康复机器人系统设备，如图 1示。它是由轮椅进行固定的，有六个节点可以进行调整角度，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，运用操控系统设置符合现状的运动方式。为了检测患者康复运动的状态，我们在机器人各关节处安装了位置传感器和力传感器，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。 12 （ a）第一代 （ b）第二代 图 1006 年，华盛顿大学的 人研制了一套名为 七自由度的外骨骼上肢康复机器人系统，如图 1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 13 外发展概况 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，我国在该领域的研究开始的晚，研究水平不高，形成产品化的机器人少之又少。随着我国 经济实力的增强，国内许多研究机构开始重视外骨骼式康复机器人的研究，所取得的研究成果也非常多，并逐步缩小与发达国家之间的距离。 2007 年，清华大学的王东岩教授，经过多年的试验研究，设计出了立式外骨骼上肢康复机器人系统，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，在患者通过使用它，可以完成相对简单的肢体动作。 图 1011 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，如图 1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。 14 图 1011 年 ,上海交通大学和 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示。该机器人在机械机构设计上设计了 7 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。 15 图 1 存在的问题 在上文中提到的外骨骼系统，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，而且患者在家中不便于进行康复训练，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16 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。 要研究内容 手臂外骨骼康复系统是此次课题开发和研制的最终目的。使用该套系统，可以帮助患者实现各种角度的运动，主要有颈部的旋转、肘部的伸缩以及肩部的上下运动。要查阅大量的专业性资料，并对机器人方面的专业知识有全面的了解，只有这样才能熟悉机器人的发展现状。通过借鉴国内外专家学者在该领域的研究成果，笔者做了相应的集成和创新发展。在下文中，要做的工作内容如下： 1、机器人的总体方案设计 笔者在设计机器人的时候，对身体上肢运动原理进行了深入的研究，主要是适应人体的舒适性。通过对人体的 构成要素和在穿戴方面的需要，对机器人的构成部分进行适当的调整，并在此基础上对系统设计方法进行改进。 2、机器人运动学分析 我们首先建立了运动学方程，通过运动知识的正逆算法，经过分析总结出机器人运动属性，最终设计它的雅可比矩阵。 3、工作空间分析 在对机器人正问题进行分析并寻求解决之策的时候，用到的是图解法，分析并总结出了它的活动区域和连接杆长度对机器人运行区域会产生影响的答案。 17 第 2 章 机器人总体结构设计 这一章节的主要内容是分析上肢的运动原理，在此基础上总结出机器人和患者结合的特点，设计了全新的数据模型， 在保证没有很多较大活动角度的前提下，能最大程度的发挥机器人在患者上肢机能康复方面的作用。除此之外，还要对人体的结构和穿戴性进行深入分析，介绍机器人的构造内容和运行方式。 器人的设计要求及原理 体上肢运动分析 对人体上肢进行测量的时候，所选用的标准要对每个患者的身体上肢尺寸相适应，根据个人的身体的各部位尺寸的不同，来选择合适的标准。为了研究人们身体的特性，根据工业设计和工程设计对人体测量数据的要求，来进行设计。从1989 年 7 月开始，我国制定了统一的标准，来对身体进行测量。标准包括 7 个内容， 人类的身体的大小的数据基础进行计算，中国成人男性（年龄 18，女性 18），身体的各要素数据不同，根据表 2 所示，作为人体尺寸的设计参考： 表 2体主要参数表 我们通过对人体上肢的运动作了充分的了解，从而设计出了能帮助残疾人完成日常行为的人体几肢康复系统。在当前的环境中，所收集到的数据准确性很高，能广泛应用于不同环境，是很有难度的。这主要是因为上肢活动灵活，运动性较高，18 与之相关的关节、神经以及其他组织众多，可以说是牵一发而动全身。所以，对其运动方式的研究，只能运用实用性的角度进行。 图 2类的上肢主要是由肩关节、手臂、肘部、手腕和手组成的。肩关节连接了人体和上臂，前臂的肘关节臂上通过连接着手和手腕，前臂接头通过它连接身体。手的自由度很大，运动关系复杂，所以一般不在此进行分析。除了人体手部活动之外，为了完成生活过程中的一些动作，需要关节活动主要有：肩关节的弯曲、扩展、回内、内转、外面摆放，肘部弯曲、伸展，前臂内自旋、手关节弯曲伸展、内转等。在对人类身体的上肢进行分析的时候，都会使用这些自由度创建模型，如下图表示。 设计康复机器人的构造非常困难，因为它体小很轻。在制造这种锡系统的时候 ，要想提高一个自由度，设计和制造的机械的复杂性、难度和成本都是原来的两倍。所以，在充分满足患者实际需要的前提下，要尽量减少机器人的自由度，从而建立一个新的运动模型。 器人设计原理 在本课题设计中，笔者只将肩部的两个自由度和肘部的一个自由度考虑在内，使用该机器人能帮助患者进行上面三种类型的活动。使用本文研制的机器人，为满足患者的生活实际需要，并确保安全稳定，患者的肘关节伸展角度最大为19 154，肩关节伸展的角度最大分别为 60和 180；内外旋转的最大角度分别是 95和 80。通常情况下，会将机器人 肘关节的活动角度控制在 120 度之内。 患者的受到机器人的控制，这是在结构设计工作中我们所充分考虑到的，患者的四肢 的损伤非常容易的。所以我们，康复训练的机器人可以不与患者有直接的肢体接触，设计的时候，关肢上的大牵引力并没有发生，四肢固定机构支持患者使用构造机器人进行康复训练。为保证肢体的柔软性，必须对机器人进行全面的精细检查，可以考虑的是外骨骼是与人体进行高度的结合，从而产生运动的定力，在活动的时候会产生自由度。正常状态下，患者身体是受机器人带动的，这两者的重心是一样的，这就保证它们的活动自由度也必须是相同的，从而使人体使用外骨骼更加随心所欲。 械人总体方案的设计 设计人员在研制手臂外骨骼系统使用目标的时候， 选取身高为 成年男子为对象，体重为七十一公斤，选取对应的尺寸数据来进行设计，设计方案如下： 图 2类型的机器人使用的是关节型构造，这种形式的机器人特别之处在于它的外体小，活动空间大，有较高的灵活度。这种形式的机器人构造内部，肩部是两个自由度，肘关节是一个自由度，这里面（ 1）肩关节的伸缩轨迹为 1，（ 2）肩关节旋转的区域为 2，构成的肩部具有两个自由度；伸缩运动的肘部具有一个自由度，它们的自由度分布图如下所示。设计人员还在外骨骼系统上面安装了20 编码设备以及操作设备，收集运动信息内容，从 而实现机器人运动属性的增强。笔者所设计的机器人是由高强度的铝合金构成的，机器人一方面要便于患者创带，另一方面，这种材质非常轻，能有效减轻患者的负重。按照标准，该机器人的总重量为七公斤。 图 2者将机器人的各项参数设置如下，主要目的是适应患者生活工作的需要，能方便穿戴。 肩部的屈 /伸关节： 30 /s 5 r/部外 /内旋关节 : 30 /s 5 r/关节 : 60 /s 10 r/关节转动范围 : 肩部的屈 /伸关节 : 1= 0 90 肩部外 /内旋关节 : 2= 45 肘关节 : 3= 120 21 器人驱动方案设计 对机器人设计的最初的考虑，根据应用的要求简化信赖性和机构结构。我们确定了整体设计，对零部件的选择，要充分考虑机构的稳定性和结构简单。总而言之，本文所设计的机器人工作转台稳定，维护成本低，操作简单。 取合适的驱动方式 机器人不仅受限于环境，我们要考虑价格因素的影响，只有这样才能达到高技术水平。现在，机器人的驱动方式是以油压驱动为中心，还有空压和电力驱动。以下三种驱动模式的优缺点分析如下：驱动油压系统的压力提供更大的驱动力，稳定性较好，快速的响应速度、高定位精度和刚性。作为缺点，复杂的油压系统的性能受到环境的影响，移动性能很差，会造成压力泄露，影响性能的发挥。优点结构简单，行动快速，能适应严酷的工作环境。缺点就是精度不高，需要提高，空气机器的噪声较大，这就需要使用合适的控制手段来提升马达驱动系统的功能。综上所述，我们在设 计机器人的时候，使用的是马达驱动模式。 作为机器人的驱动部件可以选择直流伺服马达，还可以选择步进马达。下面是对这两种电机优缺点的分析：使用步进电机，在不了解位置信息的前提下，就能实现对开环位置的确定，可控性好，但是机器人的驱动所必要的扭矩，是根据马达的尺寸和重量的大小的前提，会对机器人结构产生不利影响。如果扭矩小的马达在减速机的后面，会大大降低速度，输出速度也会降低，从而不利于机器人的正常运行；因为具有较快的惯性响应速度、紧凑的结构，超负荷能力强，所以通过位置的反馈来达到精度。综上所述，我们将作为驱动单元选 择直流伺服马达。一般直流电动机减速、光电式编码，构成了伺服单元，用户可以根据他们自身的需求选择。 动方案的设计 机器人的肩膀关节 1 弯曲伸展的驱动方式如下图。支持系统上设置的马达考虑到减速机以及同期的牙齿，实现肩关节绕轴旋转。使用这种方式的优点是，发动机的重量不会超重，发动机和肩膀的高度配置相当，实现结构的紧凑化，提22 升布局的合理性。 图 2据设计要求肩关节处的最大驱动力矩： 选用上海新宽科技稀土电机有限公司生产的 50直流伺服永磁 稀土电机 ,性能参数如表 示。 表 0本性能参数 23 山于所选用的电动机的转速较高、转矩小，所以应该在驱动电机和机器人臂之间添加减速机构。我们选用的是 行星减速器，具体参数如下表。 表 行星减速器基本性能参数 这种类型的齿形带，集合了皮带、链条和齿轮三种传动方式的长处，构造简单，传送带表面光滑，低成本，能吸收振动力，变速比一定咬合，性能高速传输，功率接近百分之百，高达百分之九十八。同步使用牙齿皮带的固体，在这个安装康复机器人的时候，马达低负荷速率运行，转速为每分钟三前转，使用的变 速比1： 2 等速齿形带，这是一种齿形传送带。 图 2器人系统所要负荷的是肩膀外旋内旋 2 和肘部弯曲扩展的运动 3 驱动系统，外形比较小，构造紧密。小型轻量构成。机器人的肩膀外旋旋 2 是在特定的设计中，在传达上比较倾向于直流电力驱动的小型电动机，使用这种传动带，能实现 1:10 的齿轮变速器的运动，实现肩关节内外旋 2。该类型关节的驱动示意图如 2示。直流伺服电机的臂本体严重依赖于减速机的驱动，大齿轮安装24 在上臂中，在小齿轮的传动作用下，空套会绕上臂进行旋转，使得机器人的活动总新和患者的重心处于相同水平面 ，而且它们的活动轨迹也是相似的。大齿轮的立体构造结构如下图所示。因为大齿轮和机器人的前臂是连接起来的，当齿轮发生转动的时候，机器人的前臂肯定也会发生转动，最终推动手臂在机器人前臂的带动下发生转动。在设计机器人的时候，使用的是型号为 50直流电动机，该电机的主要技术数据如表 示。 图 2 50本性能参数 在肘关节肘 3 伸缩的时候，使用的是各种类型的驱动设备，由直流电动机25 减速轴首先研究直接连接，这种结构是很简单的，但使各关节的轴向尺寸很大，对外形产生不 利影响，同时还加大了传动设备的转动惯性，所以不会被采纳，使用特制的螺丝母就能有效处理这一难题。外骨骼系统的肘部转动 3，其运动趋势构造如下图 2流电动机和这种特制螺丝母的位置处于相同的水平，电动机是安装在大齿轮上面的，在直流电动机的推动下发生转动，在此基础上，利用连杆将螺丝与肘部的伸缩轨迹统一起来。当肩关节屈曲和外旋，内旋 2，机器人肘关节 2 和 3 运动配合，以避免该机构和人的干涉。此方案的长处在于它的构造和合理，体小质轻。在设计该方案的时候，笔者使用的是由上海当地制造的永磁直流电动机，该设备的技术参数如 下图所示： 图 2器人总体机械结构 零件选择是整体结构设计的必要条件，按照机器人的设计标准考虑，需要对组成成分进行调整，上肢的设计图如 2示，其六个主要组成部分是同速率传动系统、设备支架系统、上肢大臂构造、齿轮构造、螺丝螺母零部件和前臂构造。 26 图 2械人结构示意图 章小结 本章介绍了机器人的机构组成 ,进行了系统的总体设计。全面介绍论述了康复机器人的驱动程序设计方案，并选用了科学的方法进行验证，还对人的上肢构造以及外骨骼系统的穿戴设计构造进行了研究。 27 第 3 章 机器 人的运动学分析 所谓的机器人运动学，从本质上分析，就是一种数量函数关系，阐释了它的空间位置的运动关系，对运动的机器人为中心的系统进行了研讨，力量大小和力矩长短与它们没有必然的关系。机器人的可变空间的综合性研究，还包含了机器人行动执行方位的关系。不仅如此，机构的分析，解析机构速度，加速度的分析活动，都是以此为基础的。 从本质上来讲，位置方程和运动学方程是相同的，它们都是对坐标体系的表示，正常情况下，机器人在各个坐标系统中的位置和系统底座信息数据之间存在着一定的关系，研究者使用这种方法对上述关系进行论述，可以使 这种关系更加明确。在康复机器人系统中，各个关节的变量属于独立的状态，正常情况下，数量关系是通过参照系统来进行解释的，这种情况下，逆运动方法经常被运用到。 器人的运动学正分析 本文所研究的外骨骼系统属于运动康复机器人，是不同型号的零部件构成的，可以在一定的空间内进行自由度的活动。对于这些零部件的介绍，笔者用到了物体空间位置关系数量方式。除此之外，还使用这种方式对机器人零部件的运动速度和运转动力数据关系进行探析。现如今，比较常用的就是齐次坐标矩阵法，该方法具有很高的稳定性，并且相对规范。这种方式还可以 用于对机器人的操控方式进行分析，还可以处理收集到的图像资料。 杆坐标系及连杆参数的确定 确立了坐标体系，机器人的关节必须遵循相应的设计原则，即：和机器人的关节轴以及 Z 轴处于相同的直线坐标，它的肘关节和肩关节的连杆 X 轴相同，坐标系的三个轴间距可以用右手定律来表示。 28 图 3 3器人各关节的 D 一 H 坐标系图 在图 3 - 1 安装的康复机器人的整体构成方案，对其进行研究可知，根据结构参数的各机器人的关节坐标显示一样，通过对不同关节的构造数据进行分析，总结出了参数汇总表，如下表显示。 表 自由度机器人的关节参数表 29 杆变换和运动学方程 连杆坐标系（ i）相对于（ 变换 i，这 4 个参数有关，连杆变换 通式为 ： 通过对上表中的参数表进行分析可知，在不同的矩阵中， i 的各个参数并不是一成不变的。由图（ 3们可以计算出 10T, 21T, 32T 的表达式如下所示： 将各连杆变换 i=1,2,3）相乘，得到 30T=10T 21 32T 即 30 上面分别显示了此三个关节 1, 2, 3 的函数变量关系，全面 的显示了机器人前臂坐标之间的关系，即机器人变换矩阵。 为所求运动学正解表达式。 做一种假设，那就是将坐标体系中的点当作外骨骼系统上臂的点，也就是坐标系统的 3，点对应的数值用 3P=3 1T 表示，在坐标系 0下的其次坐标值表示 0P=0 T,则有 31 把机器人如图 3示的位姿，即 1=0， 2=0， 3=0设备机器人的初始姿态，带入矩阵 30T 得 器人的运动学逆分析 运动学逆问题起着在机器人运动学，动力学和控制的研究中具有重要作用，直接影响 到控制精度和速度。机器人手臂的运动学方程写为： 如果机器人末端位置已给出， n,o,a 和 P 已知，则求关节变量 1， 2， 3值称为运动学反解。下面使用反变换法，也被称为代数求解。 32 33 34 章小结 本章首先介绍用其次坐标变换来描述坐厂标之间的相对位置的方法，之后主要介绍了 ，用于创建关节连杆坐标系统，并在此基础上，设计了康复机器人的设计示意图，之后创建了它的运动分析数据模型，并且从正反两个方面对存在的问题进行了探讨，计算机器人末端在空间的运动速度，研究机器人运动学和控制的 重要内容都包含以上所叙述 ,也为规划机器人的基础。 35 第 4 章 运动空间分析 工作空间的本质就是运用数学几何的方式，来探讨机器人的功能。工作空间的大小代表机器人的活动范围 ,它是评估机器人工作能力的一个重要的运动学指标。工作空间是在机器人的设计、控制及应用过程中 ,需要考虑的重要问题，此外 ,机器人机构的合理性也可以使用工作空间来进行评估。 作空间的确定方法 工作空间一般存在两个基本问题：（ 1）我们要如何解决对于具有规定关节变量变化范围和一定结构形式或结构参数的机器人求解其工作空间 ,简称为工作空间分析或工作 空间问题。（ 2）给出一定的工作空间 ,我们要如何确定机器人的结构形式、参数和关节变量的变化范围 ,称为机器人的综合或作空间的逆问题。 在该章节中，笔者主要分析了工作空间的正问题。有很多方法可以用于界定工作空间，比如数量解析法和图解法，前者具有较强的使用价值，后者的直观性较高，因此采用图解法研究机器人的工作空间的大小。用图解法求工作空间，得到的往往是工作空间的各类剖截面或剖截线 ,但它直观性强，便于和计算机结合起来，可以显示在可达点内机器人的构形特征。可将本课题设计的机器人前后两关节和中间关节分成两组 ,前两关节称之 为位置结构 ,主要确定工作空间大小 ,后一关节称之为定向结构 ,主要确定机器人的位姿。以下步骤详细介绍了机器人工作空间的作图方法： 1、机器人结构限制分析 肩部屈伸杆件的结构限制是 0 1 90 肘部屈伸杆件的结构限制是 0 3 120 由肩部屈伸杆件和肘部屈伸杆件决定的平面绕轴旋转的结构限制是 2 45 2、工作空间主截面图 36 首先确定初始点 ,取 1=0， 3=0时机器人末端参考点 初始点 ,然后分段作图： （ 1）使 3=0不变，以 机械人坐标系 1的原点，使 1 从 0到 90变化，得到圆弧 （ 2）使 1=0不变，以 机械人坐标系 2的原点，使 3 从 0到 120变化，得到圆弧 （ 3）使 1=90不变，以 圆心，使 3从 0到 120变化，得到圆弧 （ 4）使 0 1 90， 3=120时机器人末端参考点 机器人坐标系 1的原点 距离，集合关系如图 4示，可有余弦定理算得： 图 4得机器人末端参考点 作空间轴截面是由上述四段圆弧的组成 ,如图4示。 37 图 4、局部 环形旋转体剖面 0 2 45之间变化所形成的沿轴方向的环形旋转体剖面图形作出后 ,可根据作图过程写出各区段的曲线方程。如下表 工作空间轴界面曲线方程表 节杆长对工作空间的影响 在可穿戴上肢机器人运动时 ,肩高是固定不变的 ,而机器人末端参考点 作空间的大小与机器人的各杆长有关系，下面分别分析了机器人的上臂体杆长前臂体杆长 变化对机器人末端 作空间的影响。 当只有上臂体杆长 化时 ,工作空间变化如图 4所示 ,图中细实线表示杆长 ,相对于原有空间有向左平移的趋势 ,细点画线表38 示体杆长 相对于原有空间有向右平移的趋势 ,机器人工作空间基本没有变化 ,也就是说 ,该点可达位置在空间所占有的体积基本没有变化。 图 4只有前臂体杆长 化时 ,工作空间变化如图 4中细实线表示杆长加时的机器人工作空间 ,相对于原有空间粗实线有向左平移且机器人工作空间将变大细点画线表示杆长 少时的机器人工作空间 ,相对于原有空间有向右平移且机器人工作空间将变小的趋势。 图 49 所以，在相同变化时，上臂体杆长 机器人末端 工作空间基本没有影响 ,而前臂体杆长 机器人末端 作空间会有较 1 附表 2 毕业设计 (论文 )任务书 学院 ： 机电工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 机械 1202 学生情况 指导教师情况 题目类型 姓 名 学 号 姓 名 职 称 单 位 理工专业 文、管、经专业 理论研究 理论研究 实验师 机电工程 学院 科研开发 应用研究 工程设计 调查研究 题目 上肢康复机器人结构设计与运动仿真 是否实物型毕设 是 否 主要 内容 以及 目标 设计一台用于上肢康复的机器人结构，完成相应机械装置结构设计，具体设计内容包括： 1总体方案设计与规划； 2各分功能机构设计与尺寸规划； 3整机结构设计。 任务目标是： 1完成结构设计，绘制装配图及零件图； 2使用 件建立三维模型，并进行运动仿真 ； 3完成毕业论文。 成果 形式 1 整个系统结构件的三维建模、虚 拟装配及运动仿真； 2 3 张 干张 纸； 3 驱动系统的设计计算、主要零部件的有限元分析计算； 4 毕业论文。 基本 要求 1整机功率不超过 500W； 2整机外形限制在 600 3 重量不 超过 50 4 至少实现上肢 3 个关节的同时 或单个 康复训练。 实习 调研 要求 1了解国内外研究的现状、水平和发展趋势，并对目前的设计研究方案进行归纳； 2寻找一种适合本设计的实施方案； 3总结出本课题的基本实现方法，分析其技术关键及难点； 4做出本设 计课题的设计安排，并完成整个结构设计及论文撰写。 2 主要 参考 文献 1 张子明 M 中国医药科技出版社 2 李宏伟 J2002,21(4):383 李红玲 ,郭力 ,宋兰欣等 J1999. 4 李晓华 J2011,27. 5 胡宇川 J2004,8. 6 吕广明 J2004,36. 7 刘攀峰 D2009. 8 呼昊 穿戴式上肢康复机器人结构设计及仿真研究 D2008. 9 吴军 D2012. 10胡宇川 D2004. 11王东岩 方法研究 J2007,28. 12曹电锋 J2013,20. 13吴军 J2011,39. 14 J. 6(2015). 15M. A J. 2(2014). 主要 仪器 设备 或 开发 环境 计算机、机械工程师套装工具等 毕业设计（论文）开始 日期 2016业设计（论文）完成日期 2016业设计（论文）进度计划（起止时间、工作内容） 第 1 周：开始调研，查阅相关资料 。 第 2 3 周：文献阅读， 方案设计， 外文翻译，完成开题报告。 第 4 周：完成前期工作 ，确定最终方案，制定设计路线，开始理论计算 。 第 5 周：理论计算，草图绘制。 第 6 7 周：结构设计， 详细设计 。 第 8 9 周：结构设计， 详细设计，三维模型设计绘制 。 第 10 11 周：结构设计， 工程图绘制、虚拟样机生成 。 第 12 13 周： 优化设计，仿真分析。 第 14 周： 完成论文。 第 15 周：整理资料，准备答辩。 第 16 周：答辩 。 指导教师（签字）： 2016 年 2 月 22 日 督导教师（签字）： 年 月 日 学院毕业设计（论文）领导小组审查意见： 组长（签字）： 年 月 日 3 上肢康复机器人结构设计与运动仿真 开题报告 班级：机械 1202 学号： 2012010034 姓名： 石雨 指导教师： 高宏 一、 综述 题背 景意义 中风，或称脑卒中，亦称为脑血管意外，是指由各种原因引起脑动脉系统和静脉系统发生病理性改变所造成的一类疾病。中风所出现的脑血液循环障碍直接影响脑组织，并使脑细胞发生功能性或器质改变。中风具有高死亡率、高复发率以及高致残率等特点，严重影响了人们的生存质量及生命。世界卫生 组织将这种病确定为当今人类的第一杀手。一旦患了中风，重者死亡，轻者半身瘫痪，生活不能自理，给患者的生活、工作、学习带来极大的不便，也给患者带来了极大的精神痛苦，同时也给患者家人和社会带来 负担 。 据统计数据表明， 2005年全球因脑卒中死亡的人数估计达 570 万以上，如果不采取措施，预计到 2015 年会增加到650 万，到 2030 年这一数字将会突破 780 万。我国每年的新发病率为 250 万，其中因脑卒中死亡的达 150 万，世界卫生组织对我国做过研究，他们预测如果增长不变的话，到 2030年将有 400 万死于脑卒中。因此，脑卒中的 防治已成为国内外医疗领域的研究热点。 随着世界各国相继进入老龄化，中风患者势必越来越多。科技的发展使医护人员对于急性中风患者能够采取比较有效的治疗手段，中风后能够幸存下来的人越来越多。但是通常中风患者易残留各种各样的后遗症，如偏瘫、语言功能障碍、运动功能障碍、神志障碍、面瘫(口眼歪斜 )、二便失禁等，一般以运动功能障碍居多，重者影响正常生活。在幸存者中有 70一 80残留有不同的残疾，一组资料显示生活不能自理者高达 42 5。因中风而导致运动功能障碍，常常对患者本人及家庭造成心理和其它方面的冲击。社会和家庭需 要花费极大的代价来治疗和护理这些患者，造成社会成本的极大浪费。冈此，寻求有效的康复手段，使患者能够在一定程度上恢复失去的功能，不仅有利于提高患者本身的生活质量，也可以减轻家庭及社会的经济负担。 随着我国脑神经外科技术的不断发展，虽然越来越多的脑血管疾病患 得到了及时的 手术治疗， 但大 部分患者在手术后会伴随后遗症。对中风后遗症患者，必须争取早期康复治疗，尤其在发病后的前三个月内的康复治疗是获得理想功能恢复的最佳时机，但对病程长者，其潜在功能恢复力也不容忽视，应当继续进行相应的康复治疗，也可达到改善功能的效果。根据 临床经验，在发病后两年内，如果康复措施得当，会有不同程度的恢复 。进行系统的康复训练能够帮助患者提高其自理能力，降低致残率，让患者早日回归并适应家庭和社会生活。可见，它有着非常重要的意义和作用。 内外研究现状 康复机器人是机器人科学与康复医学的交叉学科，是机器人技术在医疗领域中的新应用。康复机器人具体又可分为康复训练机器人和功能辅助型机器人两种。前者的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复性训练，如人的下肢行走训练、手臂运动训练、脊椎牵引运动训练、颈部运动训练等；后者的主要功能是用来帮助肢体运动功能 障碍的患者完成各种运动，如智能轮椅、导盲手杖、 机器人假 假肢等 。本文研究的是上肢康复训练机器人，主要用来帮助上肢有运动功能障碍的患者进行康复训练。 外研究现状 康复机器人技术在欧美国家得到了机器人研究者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。 康复机器人是机器人技术和康复工程的结合。首次尝试将服务于残疾人的机器人系统产品化是在 20 世纪的 60 年代到 70 年代。实践证明这些尝试都不太成功，这主要有 2 个方面原因：其一是设计的不理想，尤其是人机接口；其二是 因为单价太高导致了康复机器人产品化的失败。 20 世纪 80 年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。 1990年以前全球的 56个研究中心分布在 5个工业区内：北美、英联邦、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。 1990 年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。 1991 年， 计完成了第一台上肢康复训练机器人系统 设备采用五连杆机构，末端阻抗较小，利用阻抗控制实现训练的安全性、稳定性和平顺性，用于病人的肩、肘运动。 有辅助或阻碍手臂的平 面运动功能，可以精确测量手臂的平面运动参数，并通过计算机界面为患者提供视觉反馈，在临床应用中取得了很好的效果。在此基础上，他们又研制了用丁手腕部康复的机械设备，可以提供三个旋转自由度，并进行了初步的临床试验。 结构机械设计方面考虑了安全性、稳定性以及患者近距离物理接触的柔顺性 。图 1 统，图 1安装在轮椅上的 图 1统 图 1装在轮椅上的 一 个典型的上肢康复训练机器人系统是 如图1示。该 设备 包括左右两个可移动的手臂支撑由工业机器 人 纵患者手臂，为息者提供驱动力，既可以提供平面运动训练，也可以带动肘和肩膀进行三维运动。但是质上是工业机器人。因而从机械的角度上说不具有反向可驱动性以及结构上与人的上肢不完全匹配，该系统在医疗领域的应用有其局限性。 图 1像运动机器人 993 年美国的 人研制了 一种 称作手 物体一手的系统 (尝试对 一 只手功能受损的患者进行康复训练 。 这种 双 手物理治疗辅助机器包括两个置于桌面上、可绕转轴转动的夹板状手柄，其中一个手柄下端连接在驱动电机上，电机可以辅助患者完成动作 (如图 1示 ）。 该机器主要帮助完成两个任务动作的训练 ： 双手移动和双手挤压。双手移动任务要求两手夹持某一物体作前后往返运动，挤压运动要求在物体上产生需要的抓取力。为限制自由度数 目 ，患者双手要放置在刚性手柄上，以阻止手腕屈伸。 图 1 手系统 1999 年， 研制了辅助和测量向导器 来测定患者上肢的活动空间。 2000 年他们对该装置进行改进，用来辅助治疗和测量脑损伤患者上肢运动功能，如图 1示。该设备为单电机驱动的二自由度装置，包括一个直线轨道，其俯仰角和水平面的倾斜角可以调整。试验中患者手臂缚在夹板上，沿直线轨道运动，传感器可以记录患者前臂所产生的力。但是这种设备训练方式单一，无法进行更深的研究。 图 1助康复和测量向导器 005 年，瑞士苏黎世 大 的 开发了一种新型的上肢康复机器 图1示。它是一种 6 自由度半外骨架装置，安装有传感器及 6 维力力矩传感器，能够进行肘部届伸和肩膀的空 间 运动，用于临床训练上肢损伤患者日程生活中的话动。 图 1复机器人 此外关于上肢康复训练机器人的报道还有： 中， 是利用康复医学中连续被动运动 (基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置，是目前为止一个机器人生物力学或生物物理化学类型的应用的 例证。由 于 受技术水平的限制， 长期停留在“大关节”康复的范围内。目前，市场上已经有了用于腕关节和手指关节这样的“小 关节 ”康复的（ 图 1司的手关节和腕关节 ） ，但他们还不能像“ 大关节 ” 那样实现精确的控制，不能对手指抓握等精巧 动作进行训练， 治疗的效果还有待提高。 图 1司的 近年来随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，行行色色的康复训 练机器 人 ,如手臂训练机器人、 踝 关节训练机器人等，以其经济的价格，简易的操作以及适 宜的病情反馈与康复训练指导得到了医学专家与病 人 的肯定。 内研究现状 目前，国内在该领域进行研究的主要有清华大学、东南大学、上海交通大学、复旦大学、浙江大学、哈尔滨 工程 大学和哈尔滨 工业大学等。其中，上海交通大学和复旦 大学合作展开了“神经的运动控制与控制信息源的研究”。其研究目的是提 取神经信息， 利用神经信息来控制电子假手。目前，七个自由度假手模拟装置已设计完成，神经信息的提取正在进行动物试验，信息的整合与控制电路的设计进展顺利。其原理是借助仪器，通过意识控制动作的反复训练，伴随信息转化、生物反馈、 生物控制和功能训练过程，不断调节和增强脑的指令，从而提高中枢神经系统和骨骼肌肉系统的支配和 控制 能力， 消除控制机能障碍和运动障碍，改善直至恢复机能状态。清华大学在国家 “ 863” 计划支持下 ， 从 2000年起即开展了机器人辅助神经康复的研究，研制了两款上肢复合运动康复训练机，他们都可以在平面内进行两个自由度的运行训练，如图 1 图 1肢复合运动康复训练机（清华大学研制） 东南 大 学从 2004年起也开展了康复机器人技术的研究，并设计了一套上肢康复训练机器人系统 (图 1其机械结构如图 1 系统现可以实现被动、主动和带阻尼主动三种锻炼模式和一对多的训练模式，并为了能眵为治疗医师提供客观的病人康复信息，系统还建立了患者信息数据 库。同时，为了吸引患者 更积极的参与训练，系统利用虚拟现实技术设计了不同难易程度的多套游戏系统界面如图 1 图 1复机器人系统运行图 （东南大学研制） 图 1自由度上肢康复训练机械臂系统结构（东南大学研制） 图 1个不同难度的程序界面 前存在的问题 目前康复机器人偏瘫治疗的研究仍然处于起步阶段临床应用任重而道远。应用于偏瘫康复训练的机器人还存在如下问题： （ 1）患者训练动作种类相对较少且仅限于重复某些单一的动作，患者肢体的活动范围主要限于训练 身体正前方，运动幅度比较小，不能以大范围活 动关节和较多关节的复杂活动为目标，不能够充分提供中枢神经康复所需的运动刺激。 （ 2）一般仅限于水平面运动 (以训练一些三维运动 )，不能进行三维或更多维的运动训练：仅限于某些关节、肌肉群或局部神经系统的康复； （ 3）研究的目标主要在于探索机器人能否应用于康复训练中，以及这种训练方式有无治疗效果，而对于如何提高康复训练的效果的研究井不深入。 （ 4）机器人辅助治疗过程的机制有待深入研究。 （ 5）机器人的适用面不够广泛。此适用面包括 1 不同的患者的适用； 2 同一患者不同的恢复时期的适用； 3 患者需不同锻炼模式 (如患者的主动或被动锻炼等模式 )的适用； 4 在患者肌肉出现痉挛时 (此时患肢可能出现较大的阻力或其他干扰 )，如何缓解痉挛和使康复效果继续维持现有的较好 的水平，等等方面的适用性。 因此，上肢康复训练机器人系统的应用研究将集中在以下几个方面 ： 第一康复医疗机器人 结构 设计：机械结构是康复训练机器人系统的基础，应尽量 简洁 轻巧，具有一定的灵活性，提高训练动作的种类， 增大 动作幅度，在三维空间内对患肢各个关节进行训练。 第二控制策略与运动模式的设计：由于患者的病情 千差万别各不相同 ， 因此 ，机器人要感知患肢状态并采取相应的训练模式和控制策略，在控制系统适应性和稳定性、传感器技术应用、系统辨识和控制算法设计等方面需要作更深入的研究。 第三力反馈：机器人应该能够实时检测患者与机器人之间的相互作用力，在患者主动能力不足时提供更人的辅助，而在患者有能力完成动作时， 适当减小辅助甚至施加阻力，以便充分发挥患者残存的功能。 第四安全机制：安全问题是康复机器人设计过程的一个重要方面，康复训练机器人必须根据临床康复训练的基本动作和安全机制的要求，在设计中除了考虑机器人的功能实现外，还要防止患肢二次损伤，必须从机构设计 (硬件 )和控制系统 (软件 )两个方面保证康复机器人系统的安全性。 第五康复效果的评价机制：与肌电信号检测相结合，探索训练参数与康复效果之间的关系，提高训练效果。在大量试验的基础上，总结临床康复的初步规律，建立客观、精确的康复评估方法。 第六多路复用：发展“多路复用”的网络康复医疗机器人系统，提高资源利用率。 程的研究意义 据统计，我国脑卒中的发病率是欧美发达国家的 4，是日本的 3 倍，加之脑外伤等疾病而导致我国肢体瘫痪患者数量显著增加，其中大多数患者生活无法自理，这不仅造成了患者生理和心理上的巨大压力，还给患者家庭带来了沉重的负担。与此同时，我国同许多其他国家一样，正在步入老龄化社会，据统计，我国 60 岁以上老年人人口占全国人口的 10%以上。并伴随机器人技术的不断发展以及应用范围的不断扩展，机器人已经被应用于日程生活的许多方面 。康复机器人是在这种需求下应运而生的一个新的研究领域，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，并已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。 在老龄化过程中，最明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生影响。此外，由于多种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人人数也在增加。与之相对的是，通过人工简单或简单的医疗设备进行的康复训练已经远远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展，这个特殊的群体已经等到越来越多人的关注，治疗、康复和服务于他们的产品 技术和质量也在逐步提高。因此，康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景。 二、研究内容 课题所研究的康复机器人 属于主动型康复机器人，它能够实现空间三自由度的灵活移动，彼此互不干涉，使患者的上肢结构能够在安全的活动范围内得到充分锻炼。本论文的内容具体如下： （ 1） 运动康复治疗理论基础 研究脑卒中后偏瘫的发病原因、特征及康复理论，同时了解目前康复治疗常用的技术和方法，从医学角度提出对康复机器人的设计要求。 （ 2） 机器人系统结构设计 通过总结学习目前已经设计成型的康复机器人，对它们的有且点进行分析，结合人体工程学原理，确定课程 所要设计的机器人，具体包括 系统构成、各模块设计、构件选型及工作原理等。 （ 3） 机器人运动学分析 学习机器人位置运动学相关知识，分析课题所设计机器人在空间直角坐标系下的运动学，对系统进行建模，完成运动学分析。 （ 4） 机器人动力学分析 用电脑软件对机器人系统进行建模，分析其末端力或力矩与各关节速度、加速度之间的关系，为机器人后续的优化设计，仿真奠定理论基础。 （ 5） 机器人仿真 用计算机软件对其进行运动学仿真，得到运动轨迹、关节位移 、关节速度和加速度等变化曲线，同时完成运动学理论分析结果的验证，为以后进一步研究 做准备。 三、 研究 设计方案 康复机器人是代替医师帮助患者进行训练的设备，不同于普通的工业机器人，为了保证康复训练的安全性和有效性，需要对其设计提出一定要求。 体上肢结构与运动学分析 在设计康复机器人时要符合人机工程学原理，保证患者运动的绝对安全，对于机构的合理设计就要从人体上肢解刨学出发，了解其结构特点，为设计提供必要的参考数据，使它能够最大限度的符合人体工程学和运动原理。 体上肢结构 人体的 上置结构比较复杂，是由肩骨、上臂骨、前臂骨、手骨等骨骼和肩部及胸部肌肉群、肱二头肌、肱三 头肌、内屈肌肉群等肌肉组织以及骨骼之间连接的韧带、肌腱、起保护作用的软组织和皮肤共同组成，如图 3示。 体上肢运动 由于人体上肢结构的复杂性和运动的特殊性，想要建立一个理想的、准确的、适用于各种情况的上肢运动模型是很困难的，因此本文从实用的角度出发对人体上肢运动进行分析。 人体上肢包括手部、腕关节、小臂、肘关节、大臂和肩关节。肩关节将身体和大臂链接在一起，肘关节将大臂和小臂连接在一起，而腕关节将小臂和手部连接在
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