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东华人学硕士学位论文摘要 上肢康复机器人设计与运动规划 摘要 中风和脑外伤而导致的肢体瘫痪患者大多生活无法自理，不仅造 成患者生理和心理上的巨大压力，而且给患者家庭和社会带来沉重负 担。同时我国和许多国家一样，正步入老龄化社会，据统计，我国 6 0 岁以上的老年人口占全国人口的1 0 以上。康复机器人是在这种 需求形式下应运而生的一个研究领域。本论文旨在研制一种上肢康复 机器人，并对其进行运动规划。 本文在分析5 一d o f 外骨骼式上肢康复机器人特点的基础上，对 康复机器人进行了正运动学、逆运动学分析与康复运动规划研究。选 用几何法逆运动学分析，在逆解存在多组解的情况下，以“关节运动 程度均衡 作为评价标准选取适合康复运动解。文中提出了3 种康复 运动模式，针对不同康复运动模式结合干涉检查进行康复运动规划， 实现康复运动功能。文中还对上肢康复机器人原型系统进行了运动控 制仿真，为此后的物理原型控制做了充分准备。论文主要做了以下研 究工作： 1 、上肢康复机器人方案与结构设计 查阅相关资料，分析现有康复机械臂与机械手的缺点和不足，提 出了机械臂与机械手合为一体的上肢康复机器人方案，并根据手指的 生理特征及主要康复功能来简化机械手设计：一是通过少自由度机构 东华大学硕士学位论文摘要 实现，二是通过充气式手套方式实现。采用上述方案研究制定上肢康 复机器人，并进行了改进完善设计。 2 、上肢康复机器人分析 本文利用连杆坐标系d h 法，建立上肢康复机器人的连杆坐标 系简图，建立了该机器人的运动学模型，对机器人进行了运动学正解、 逆解问题的研究，并提出以“关节运动程度均衡 作为评价标准选取适 合康复运动解；利用图解法对机器人工作空间的正问题进行了分析； 采用包容体法建立了上肢康复机器人与人体的简化模型，并对其进行 了干涉分析；最后进行了气动平稳性的研究。 3 、上肢康复机器人康复运动规划 文中提出了3 种运动模式，分别为患者自主选择模式，被动趣味 功能运动模式以及促进生物反馈康复运动模式。在遵循康复机器人 特点的基础上，分别针对3 种运动模式进行运动规划，旨在保证患者 安全的前提下完成既定康复训练任务。 4 、上肢康复机器人运动的实现 在1 3 研究内容的基础上，借助l a bv i e w 软件对康复机器人虚 拟原型( s o l i d w ，o r k s 三维建模) 的运动进行驱动控制仿真，以更有效 的方式实现对物理原型的控制。 关键词：上肢康复机器人；运动学分析；干涉分析；康复运动规划； 虚拟原型；控制仿真 东华大学硕士学位论文 摘要 t h ed e s i g no fu p p e rl i m br e h a b i l i t a t i v e r o b o ta n dt h em o t i o np l a n n i n g a b s t r a ct s t r o k ea n dt r a u m a t i cb r a i ni n j u r yt e n dt oc a u s el i m bp a r a l y s i s p a r a l y z e dp a t i e n t s c a nn o tt a k ec a r eo ft h e m s e l v e s i tn o to n l yc a u s e se n o n n o u sp r e s s u r eo ft h ep a t i e n t p h y s i c a l l ya n dp s y c h o l o g i c a l l 弘b u ta l s oi m p o s e sah e a v yb u r d e nt ot h ep a t i e n t s f a m i l ya n ds o c i a l m e a n w h i l e ，c h i n aa n dm a n yc o u n t r i e sa r et e n d i n gt oa g i n gs o c i e ty a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，c h i n a se l d e r l yp o p u l a t i o na g e do v e r6 0a c c o u n t e df o rm o r e t h a n1op e r c e n to ft h ec o u n t r y sp o p u l a t i o n t h i sp r o j e c ta i m st od e v e l o pa nu p p e r 1 i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o t ，a n dr e s e a r c h e sr e h a b i l i t a t i v eh 1 0 t i o np l a n n i n g t h i sp a p e rr e s e a r c h e sk i n e m a t i c sa j l a l y s i sa 1 1 dr e h a b i l i t a t i v em o t i o np l a 皿i n g ， w h i c hb a s e do nt h ec h a r a c t e r so ft h e5 一d o fe x o s k e l e t o n t y p er o b o tf o ru p p e rl i m b r e h a b i l i t a t i o n u s eg e o m e t 叫m e t h o dt oa n a l y s e st h ek i n e m a t i c sa n dp r o p o s eb a l a n c e o ft h ej o i n tm o v e m e n td e 黟e ea sa ne v a l u a t i o nc r i t e r i o nt oc h o o s ea 莎o u ps o l u t i o nf o r r e h a b i l i t a t i o nw i t h i nt h ei n v e r s ee x i s t i n gm u l t i p l es o l u t i o n s o 髋r3k i n d so fm o t i o n m o d eo fr e l l a b i l i t a t i o na n dr e s e a r c hr e h a b i l i t a t i v em o t i o np l a i l n i n g ，w h i c hi sa c c o r d i n g t ot h ed i 仃e r e n tm o t i o nm o d e sa n dt h ei n t e r l 毛r e n c ei n s p e c t i o n u s ed e s i g ns o n w a r e s o l i d w 6 r k st oc o n s t r u c tt h ev i r t u a lp r o t o t y p eo ft h eu p p e r1 i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o t ， a n dt h e ns i m u l a t et h em o d e l i ti st h ep r e p a r a t i o n sf o rt h es i m u l a t i o no ft h ep h y s i c a l p r o t o t y p e t h e r ea r et h ew o r k so ft h ep r o j e c t ： 1 、 t h ep r o 黟a ma n ds t r u c t u r ed e s i 印o f u p p e rl i m br e h a b j l i t a t i o nr o b o t s a c c e s st ot h er e f e r e n c ei n f b n n a t i o na n da n a l y z et h ed e f i i c i e n c i e so ft h ee x j s t i n gr e h a b i l i t a t i o nr o b o t d e v e l o pu p p e rl i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o t sp r o g r 锄，w h i c hs i m p l i 匆 t h er o b o td e s i g nb y a c c o r d i n gt ot h ep h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i n g e r s ：f i r s t ， b yr e d u c i n gt h ed o f ，t h es e c o n di sb e i n gg o tt h r o u g hb yi n n a t a b l e9 1 0 v e s d e v e l o p u p p e r1 i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o t sb a s eo nt h i sp r o 铲a m ，a n di m p l e m e n tt h er e f i n e d d e s i 印 2 、 a n a l y s i so ft h eu p p e rl i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o t u s ed hm e t h o do f1 i n kc o o r d i n a t es y s t e mt oe s t d b l i s h m e n to fac o n n e c t i n gr o d u p p e r l i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o tc o o r d i n a t es y s t e md i a 铲a ma n dt oc o n s t m c tt h er o b o t s k i n e m a t i c sm o d e lw h i l es t u d i e sp o s i t i v ea n di n v e r s ep r o b l e mo fr o b o tk i n e m a t i c s 东华大学硕一j ：学位论文 摘要 p r o p o s eb a l a n c eo ft h ej o i n tm o v e m e n td e 黟e ea sa ne v a l u a t i o nc r i t e r i o nt oc h o o s ea 黟o u ps o l u t i o n f o rr e h a b i l i t a t i o nw i t h i nt h ei n v e r s e e x i s t i n gm u l t i p l e s 0 1 u t i o n s a n a l y s i s t h ep r o b l e m0 ft h er o b o tw o r k s p a c eb yg r a p h i cm e t h o d e s t a b l i s ha s i m p l i f i e dm o d e lo fu p p e r1 i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o ta n di n t e r f e r e n c ea n a l y s i st h e m o d e l a t1 a s td i s c u s st h ep n e u m a t i ct e c h n 0 1 0 9 y 3 、 t h er e h a b i l i t a t i o nm o t i o np l a n n i n go ft h eu p p e rl i m br e ha b i l i t a t i o nr o b o t t h i sp a p e ro 骶r s3k i n d so fm o t i o nm o d eo f r e h a b i l i t a t i o n t h e ya r ea u t o n o m o u s s e l e c t i o nm o d e ，i n t e r e s t i n gm o t i o n 如n c t i o n a lm o v e m e n tp a t t e ma n dt h ep r o m o t i o n o fb i o f e e d b a c kr e h a b i l i t a t i o nm o t i o nm o d e f 0 1 1 0 wt h ec h a r a c t e r i s t i c so f r e h a b 订i t a t i o nr o b o t ，r e s e a r c hr e h a b i l i t a t i v em o t i o np l a n n i n g ，w h i c hi sa c c o r d i n gt ot h e d i 矗e r e n tm o t i o nm o d e sa n dt h ei n t e r f e r e n c ei n s p e c t i o n i ta i m st oe n 吼l r ep a t i e n t s s a f e t ya n dc o m p l e t et h er e h a b i l i t a t i o nm o t i o n 4 、t h em o v e m e n to f u p p e r1 i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o t b a s e do nt h ec o n t e n t1t oc o n t e n t3 ，t h ep a p e rr e s e a r c ht h em o v e m e n ts i m u l a t i o n o ft h ev i r f u a lp r o t o t y p e ( t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l i n g i n s 0 1 i ( 1 w o r k s ) ， w h i c hi s s u p p o r t e db yl a b v i e ws o r w a r e i ti st h ep r e p a r a t i o n sf o rt h ec o n t r 0 1o fp h y s i c a l p r o t o t y p e s “y a n s h u ( m e c h a n i c a ld e s i 朗a n d1 1 1 e o r y ) s u p e n r i s e db y 、n gs h e n g z e k e y w o r d s ：u p p e r1 i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o t ；k i n e m a t i c sa 1 1 a l y s i s ；i n t e r f e r e n c e a n a l y s i s ； r e h a b i l i t a t i v em o t i o np l a 肌i n g ；v i r t u a lp r o t o t y p e ；c o n t r 0 1s i m u l a t i o n v 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 据2 0 1 1 年最新统计，我国中风发病率是欧美发达国家的4 。5 倍，是同本的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，其中大多生活无 法自理，不仅造成患者生理和心理上的巨大压力，而且给患者家庭和社会带来了 沉重的负担。同时我国和许多国家一样，f 步入老龄化，据统计，我国6 0 岁以 上的老年人 = j 占全国人口的1 0 以上。并且随着机器人技术不断发展以及应用领 域的不断扩展，机器人已被应用于同常生活的多方面。康复机器人是在这种需求 形式下应运而生的一个研究领域，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械 学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，并 且已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。 将康复机器人引入到偏瘫康复训练中，己经逐渐得到国内外研究人员的重 视，并已取得一定的成果。根据康复机器人康复的对象，可以将康复机器人分为 下肢康复机器人、上肢康复机器人、腰部康复机器人和手部康复机器人。其中手 是人体最复杂的器官之一，在人体的各个关节中，手部的关节自由度多、结构也 最为复杂。但由于各方面受技术水平的限制，大多数康复机器人仍停留在“大关 节”的康复范围内，对于腕关节和手指关节这样的“小关节”的康复机器人研究较 少 1 1 。 本文在现有5 d o f 上肢康复机器人手臂的基础上，根据现实手功能医疗康 复方法和连续被动活动( c p m ) 理论，对手指运动进行建模与仿真分析，以设 计适合于手功能主要康复训练机械手。 康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合，我们期望康复机器人具有以 下一些特点：( 1 ) 康复机器人与患者处在同一空间来共同完成任务，使得安全性 和稳定性成为康复机器人首先要保证的；( 2 ) 康复机器人不以高精度控制与快速 响应为主要指标，而以完成既定康复运动为主要目标，使患肢各运动关节能均衡 获得有效康复训练；( 3 ) 康复过程中强调提高人机交互性与协调性，旨在促使忠 肢被动运动产生肢体运动信号的同时又能刺激患者大脑产生支配运动信号，有效 促进生物反馈，更好地完成患肢的康复。 基于以上特点，本文提出康复运动规划应与传统工业机器人的运动轨迹规划 有所不同。康复机器人不以有利于高精度控制与快速响应等为目标进行运动规 划，而是设计运动终点或目标轨迹，通过运动规划完成有利于康复训练任务的路 径与关节运动。康复机器人的这种运动规划可以保证其平稳、可靠的完成康复运 动，并将其机构木端工作空间限制在保证患者安全的范围内，从而为研究现实环 东华大学硕士学位论文第一章绪论 境下康复机器人实现有效康复运动奠定良好理论基础。因此，康复机器人的运动 规划具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 上肢康复机器人研究现状 上肢康复机器人应可完成手臂肩部、肘部、腕部以及手部的康复运动，现有 上肢康复机器人多为分区域康复式机器人，一般设计为上肢康复机械臂或康复机 械手，可对上肢手臂或手部分别进行康复训练。 上肢康复机械臂的国内外研究现状如下： ( 1 ) 有一类以单个关节或少数关节为康复目标所设计的康复机械臂。浙江大学 的张蕊等人设计的一种基于摆动马达的可穿戴式肘关节外骨骼机械臂，运用了新 型的可弯曲的人工气动肌肉并且带有关节力矩控制【2 0 】，可实现肘关节的康复运 动。美国k m i 公司生产的h a n dm e n t o r 【4 1 ，如图1 1 所示，主要用于中风偏瘫患 者手腕功能的恢复，h a n dm e n t o r 首先鼓励患者尽力伸展手腕到达伸展极限时， h a n dm e n t o r 启动气动装置辅助病人将手部腕关节完全伸展开，以达到康复效果。 北京龙福康公司的k f 前臂内外旋转运动器，可用于改善前臂旋转功能筘j 。 上述康复机械臂均可实现局部关节的康复训练，如肘部、腕部等，对于整个 手臂瘫痪的患者，以上康复机器人并不适用。 图1 一lk m i 公司的h a n dm e n t o r图1 2 清华大学上肢康复机械臂 ( 2 ) 在单个关节康复机器人研究的基础上，各国开始研制多关节的康复机器人。 德国的h e s s es 等人开发了可以训练手腕和肘关节运动的手臂训练器 b i m a n u t r a c k ，训练时患者的手抓住手柄作一个自由度的运动，可实现前臂的 外转运动以及腕关节的伸缩运动【6 。在我国国内，清华大学研制的上肢康复机械 臂主要由手臂支撑和患肢训练机械臂组成，如图l 一2 所示。机械臂依据临床康复 训练方法和c p m 理论设计，其运动域涵盖正常人上肢运动范围，能够实现主动、 被动、抗阻、助力四种基本训练模式0 1 。日本的t o s h i r on o r i t s u g u 等人利用橡 胶人造肌肉设计了一个两自由度的治疗机器人【l ，该机器人将人手臂的机械阻 2 东华大学硕卜学位论文 第一章绪论 抗当作康复效果的目标评价。 上述康复机械臂较早期的康复机械臂有了一定发展，可针对患者的多个关节 进行康复训练，并提出了康复效果评价标准的概念。然而使用这些康复机械臂锻 炼手臂多个关节，手臂仅限于在同一平面内做3 自由度运动，并未实现手臂在三 维空问内的康复运动。 ( 3 ) 还有一些康复机械臂由简单连杆构成抓握式康复机械臂，例如同本大阪大 学研究的3 自由度上肢康复机器人e m u l ，e m u l 与患者对向布置，在接受训 练时患者手握紧机器人的手柄进行主动或被动训练【l 引。美国麻省理工学院研制 的m i r - m a n u s 辅助康复系统如图1 3 所示，康复机械臂采用五连杆机构，可以 实现病人的肩、肘、手在水平和竖直平面内的运动【1 3 4 1 。哈尔滨工程大学杨勇研 制的上肢康复机器人具有5 个独立自由度，与手臂运动相适应，机器人与忠者同 向布置，如图l 一4 所示，也属于抓握式康复机器人。 图1 3m i t - m a n u s 辅助康复系统 图1 - 4 哈尔滨工程大学康复机械臂 上述抓握式康复机械臂在国外康复机器人中应用较多，抓握式康复机械臂适 合手部仍有抓握能力的患者，如上肢手臂整体瘫痪患者则无法使用该装置。再者， 抓握式康复机械臂机构一般处于手臂之外区域，对患肢没有支撑作用，康复运动 过程中难以根本避免患肢受到二次伤害。在这种情况之下，产生了如今应用较广 的外骨骼式康复机械臂。 ( 4 ) 美国r o b e r tr i e n e r 等人研究的手臂康复机器人a r m i n ( 如图1 5 所示) 。它 采用外骨骼结构，使得肩部的安装误差不会给人的手臂带来压力。该机器人具有 6 个自由度，并配有位置和力传感器，能够帮助患者训练他们的同常生活能力， 比如活动肩关节、肘关节等【1 5 j 。哈尔滨工程大学机电一体化实验室研制的穿戴 式上肢康复机械臂( 如图1 6 所示) ，具有五个自由度，实现了力辅助控制【1 6 。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 曩麟磐 - ：= ：二二譬一 图1 5 手臂康复机器人a r m i n图1 6 哈尔滨工程大学康复机械臂 综合以上国内外上肢康复机械臂可知，早期的康复机械臂由简单连杆构成抓 握式康复机械臂，可实现的手臂运动自由度也较少，一般为平面内3 自由度的康 复运动。显然，随着医疗技术的不断提高，这已不能满足人们越来越高的医疗需 求。康复机械臂的自由度逐渐增加为5 自由度或6 自由度，并且机械臂结构越来 越趋向于与人体生理结构相似，多数设计为穿戴式康复机械臂。由于穿戴式康复 机械臂与使用者共用一个运动空间，因此干涉分析、运动规划就成为了研究者要 解决的重要问题。 上肢康复机械手国内外研究概况如下： ( 1 ) 有一类手指外骨骼设备，其结构精细，可针对每个手指进行多关节的运动。 例如美国科研人员研制出的针对五个手指的康复机械手，采用欠驱动的控制方 式，通过钢丝的拉伸运动，实现整个手指的弯曲运动，如图1 7 所示。以及e x o s 公司的灵巧手设备，其针对手指多关节设计并集成了关节传感器，如图1 8 所示。 此类手指外骨骼设备针对每个手指的多个关节设计。 图1 7 五指康复机械手图1 8e x o s 公司灵巧手 此类康复机械手结构精细，运动精度高，但是作为康复机械手其结构过于复 杂、穿戴不便，易给患者造成心理压力，同时造价成本偏高。 ( 2 ) 有类康复机械手可实现四个手指的康复运动，例如r o l y a n 公司的手功能康 复c p m 机，如图1 9 所示。a b i l i t y o n e 公司的手功能康复c p m 机( 8 0 9 1 t m ) ， 4 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 如图1 1 0 所示。 图1 9r o l y a n 公司手功能康复c p m 机图1 1 0a b i l i t y o n e 公司的c p m 机 此类为市场上已有的手指关节康复的c p m 机，可完成基本的康复运动。但 根据康复医师的经验，手部康复的重点为拇指和食指功能的恢复，因此此类c p m 机也有很大缺陷。 ( 3 ) 近年来，气动仿生肌肉渐渐应用于康复机械手领域。哈尔滨工业大学研制 的康复机械手采用气动仿生肌肉驱动技术，增加了康复机械手的穿戴舒适性和使 用安全性，完成了手部的康复运动【1 7 】。但是气动肌肉存在很强的非线性和时变 特性，造成很难对其准确控制。 综合以上国内外所研制的康复机械手，康复机械手具备许多人工训练无法比 拟的优点，如长期稳定的重复训练、精确客观测定训练与运动参数、提供实时反 馈等。因此，设计一款结构简单、灵巧、易于穿戴，并且安全、低成本、使用方 便的上肢康复机械手是非常必要的。 由以上上肢康复机器人国内外研究现状可知，现有康复机器人大多为分区域 式康复机器人，一般可对上肢手臂、腕部或手部分别进行康复训练。然而多数偏 瘫或中风患者均为整个上肢手臂的瘫痪，因此应设计康复机械臂与康复机械手合 为一体的上肢康复机器人方案，并将康复机械手设计为可拆卸组件，便于在康复 机械臂上组装、拆卸，以适应不同的用户。 1 2 2 机器人运动规划研究现状 机器人轨迹规划的研究起源于2 0 世纪6 0 年代。这里所谓的轨迹，是指机器 人每个自由度在运动过程中的瞬时位置、速度和加速度。所谓轨迹规划，是指根 据作业任务要求，计算出预期的运动轨迹。 机器人系统在运动过程中必须遵循一个原则，就是运动过程中尽量平滑、平 稳，如果运动不平稳会产生机械部件的磨损加剧，并导致机器人系统的振动和冲 击。因此对机器人的轨迹规划进行深入的研究是非常重要的。 轨迹规划可以在关节空| 白j 进行，也可在笛卡尔空问进行。根据p a u l 在1 9 7 2 年提出的关节插值的原则，有人提出了4 3 4 轨迹、3 5 3 轨迹及5 段3 次轨迹等。 5 跨鎏磐一霭、 厂1：瓤一 昧 东华大学硕士学位论文第一章绪论 这种轨迹形成方法的优点是计算速度快，易于处理操作机的动力约束，可是当取样 点落在拟合的光滑多项式曲线上时，面向关节空间的笛卡尔路径会有所损失。 t a v l o r 用四元素法改进发展了p a u l 的方法，以求得更好、更均匀的运动【6 。徐向 荣等提出了采用3 5 3 样条函数法对机器人轨迹进行规划【7 】。文献 8 1 采用3 阶贝 塞尔曲线进行路径规划，并给出了加速度约束条件下时间最优的轨迹规划方法。 文献 9 基于螺旋理论和空间样条曲线生成原理提出了一种笛卡儿空间的机械手 轨迹规划方法。文献 1 0 1 提出了基于摆线运动规律的轨迹规划方式。文献1 1 1 针 对机械手作两圆柱相贯线运动的特别运动轨迹，进行了有效的轨迹规划。 机械手空间轨迹规划则更多倾向于采用b 样条曲线方法，由于b 样条具有 导数的连续性、分段处理性、关节位移变化率小、局部支撑性等优点，这些优点 使其得到了广泛的应用。由于机械手力矩方程的强非线性和强耦合性，使得时问 最优轨迹优化问题较复杂，国内外某些研究人员运用运动学方法进行了机械手时 i 司最优轨迹规划，如文献 1 2 。而文献 1 3 则是在用关节加速度限制近似替代最 大关节转矩限制的情况下进行的时间最优轨迹规划，这样就使问题得以简化而 所得的结果与实际情况有出入。文献 1 4 利用复合形法进行了优化，但复合形法 不能处理等式约束。 此外对于有约束的非线性优化问题，已经丌发出许多有效算法，如：罚函数 法、广义简约梯度法( g r g ) ，逐次二次规划法( s q p ) 等，但是这些方法只能得到 与初始点有关的局部最优解，不能保证全局最优。在某些复杂情况下，优化问题 甚至表现为不连续、不可微，对于这样的优化问题，确定性算法无能为力。而高 效率的直接搜索法是一种很有潜力的方法，如：遗传算法( g a ) 、模拟退火算法 ( s a ) 、随机搜索法等，它们的共有特点是具有通用性，对计算机的要求不高，在 解的允许空间内直接利用优化问题的一些点值进行搜索而不管其解析性质如何， 而且求出的极值往往是全局最优点【l5 | 。 上述机器人轨迹规划主要针对的是高精度快响应机器人，而对于康复机器人 的运动规划，相对研究文献报道较少。康复机器人的运动规划，与工业机器人的 轨迹规划有所不同，康复运动规划的首要任务是在保证患者安全的前提下完成有 利于康复训练任务的运动。因此借助原有轨迹规划的一些方法来研究康复机器人 的运动规划也是本文研究有待解决的问题。 1 3 本文主要研究内容及方法 1 3 1 研究内容 本论文将在新近设计的5 d o f 外骨骼式上肢康复机器人基础上，分析现有 康复机器人的缺点和不足，根据人体生理特征、应用对象、技术指标等要求设计 东华大学硕士学位论文第一章绪论 康复机器人。根据患者康复主要使用情况，设计可拆卸康复机械手组件。同时本 文将在分析外骨骼式上肢康复机器人特点的基础上，对康复机器人进行正运动学 分析、逆运动学分析以及康复运动规划。设计几种适合康复运动的康复模式，针 对不同模式进行康复运动规划，以康复机器人替代传统治疗师实现对患者的康复 训练。 经过查阅相关资料，学习相关软件，在此基础上，结合作者的思考及上肢康 复需要解决的问题，主要进行了以下几项研究工作： ( 1 ) 上肢康复机器人设计 提出机械臂与机械手合为一体的上肢康复机器人方案，并根据手指的生理特 征及主要康复功能简化机械手设计：一是通过少自由度机构实现，二是通过充气 式手套方式实现。 ( 2 ) 康复运动规划 针对不同的运动终点或目标轨迹，规划康复机器人的运动，保证运动终点或 目标轨迹与使用者的安全空间不重合，以确保使用者的安全。 ( 3 ) 气动平稳性研究 通过对上肢康复机器人气动平稳性的研究，保证其运动的稳定性及可靠性。 ( 4 ) 上肢康复机器人运动的实现 在( 1 ) ( 3 ) 研究内容的理论基础上，借助i 。a b v i e w 软件对康复机器人 虚拟原型( s o l i d w 6 r k s 三维建模) 的运动进行仿真，实现对物理原型的控制。文 中还在l a b v i e w 环境下设计了有助于感官反馈的前面板，通过图片或声音片段 对患者视觉或听觉进行刺激，以调动大脑产生支配运动信号，有利于康复训练， 并为实现在虚拟现实环境中体现目标终点及患肢运动情况做好前期准备。 1 3 2 研究方法 本文研究过程中，运用到以下方法： ( 1 ) 查阅相关资料，分析现有康复机器人的缺点和不足，根据人体生理特 征设计康复机器人。对新设计的康复机器人进行运动学分析，分别建立运动学数 学模型，借助a d a m s 等软件进行仿真分析。 ( 2 ) 设计运动终点或目标轨迹，借助m a t l a b 等数学软件对康复机器人进 行运动学f 解、逆解分析，规划康复运动轨迹与路径。 ( 3 ) 采用l a b v i e ws 0 1 i d w 6 r k s 工具包进行交互设计，实现控制参数调节、 控制算法设计以及运动控制仿真。再采用l a b v i e w 连接n i 运动控制系统，以 完成对上肢康复机器人的控制。 东华大学硕士学位论文第二章上肢康复机器人设计 第二章上肢康复机器人设计 上肢康复机器人是上肢康复训练系统里带动患者上肢被动运动的执行部件， 其结构与人体上肢结构相似，运动特征也与人体上肢的运动特征一致。本文的上 肢康复机器人分为两个部分：一是上肢康复机械臂，二是上肢康复机械手。本章 首先对人体上肢的生理结构进行分析，并针对康复机器人的特点提出设计要求， 在分析选择驱动方案的基础上分别对机械臂和机械手的方案以及结构设计进行 介绍。本章是后续章节上肢康复机器人分析以及康复运动规划的基础。 2 1 人体上肢生理结构 2 1 1 人体手臂生理结构 人体上肢包括肩部、大臂、肘部、前臂、腕部以及手部。 手臂骨骼结构如图2 1 ( a ) 所示，具体包括上肢带骨和自由上肢骨。其中上肢 带骨包括锁骨和肩胛骨；自由上肢骨由肱骨、尺骨、桡骨、腕骨、掌骨以及指骨 构成 24 i 。 寓带骨 锁骨 启胛骨 自由上肢骨 上臂骨 脆骨 前臂骨 尺骨 桡骨 手骨 腕骨 掌骨 指骨 ( a ) 手臂骨骼结构图( b ) 手臂肌肉群结构图 图2 1 手臂生理结构示意图 9 东华大学硕士学位论文第二章上肢康复机器人设计 图2 1 ( b ) 所示为手臂肌肉群结构示意图，具体包括肩部肌、臂肌、前臂肌 和手肌。肩部肌分布于肩关节周围，有保护和运动肩关节的作用，其中较重 要的有三角肌。臂肌均为长肌，可分为前后两群：前群为屈肌，有肱二头 肌、肱肌和喙肱肌；后群为伸肌，为肱三头肌。前臂肌位于尺、桡骨的周 围，多为长棱形肌，可分为前、后两群：前群为屈肌群；后群为伸肌群。手 肌位于手掌。分为外侧群、内侧群和中问群。 上肢康复机器人的自由度设计与人体上肢的关节连接密切相关，以下主要介 绍上肢的连结，包括肩关节、肘关节、腕关节以及手骨的连接等。 ( 1 ) 肩关节 肩关节生理结构图如图2 2 所示。 图2 2 肩关节生理结构图 肩关节由肱骨头与肩胛骨的关节盂构成，属球窝关节。关节盂周缘有纤维软 骨环构成关节唇，加深了关节窝。肱骨头的关节面较大，关节盂的面积仅为关节 头的1 3 或l 4 ，因此，肱骨头的运动幅度较大。肩关节周围的韧带少且弱，在肩 关节的上方，有喙肱韧带连结于喙突与肱骨头大结节之间。 肩关节为全身最灵活的球窝关节，具有3 个自由度，为肩部的前屈后伸，内 收外展以及旋转运动。关节动作方向以及动作角度由表2 1 给出。 表2 1 肩关节动作方向以及动作角度 关节动作方向 关节动作角度( 。) 前屈o 一1 8 0 后伸 0 5 0 内收0 4 5 外展 o 一1 8 0 内旋 0 2 0 外旋 o 2 0 ( 2 ) 肘关节 肘关节是由肱骨下端与尺骨、桡骨上端构成的复( 合) 关节。生理结构图如 1 0 东华人学硕七学位论文第二章 ：肢康复机器人设计 图2 3 所示。 肘关节的肱尺关节可沿略斜的额状轴作屈伸运动；桡尺近侧关节与桡尺远侧 关节是必须同时运动的联合关节，控制前臂的旋转运动；肱桡关节虽属球窝关节， 但只能配合上述两关节的活动，即与肱尺关节一起，共同进行屈伸运动，配合桡 尺近侧关节进行垂直轴的旋转运动，但却失去矢状轴的内收、外展运动的能力。 图2 - 3 肘关节生理结构图 肘关节具有2 个自由度，为肘部的屈曲f 中展，旋自，j 旋后。关节动作方向以及 动作角度由表2 2 给出。 表2 2 肘关节动作方向以及动作角度 关节动作方向 关节动作角度( 。) 屈曲o 1 4 5 伸展 0 旋前 0 9 0 旋后 0 9 0 ( 3 ) 腕关节 腕关节是典型的椭圆关节，其生理结构图如图2 4 所示。 一畹掌行侧沏带 i n r k “lc i l r p r t l c i i l ：l r p i l ij i 婪 l 璇j 侧国i 阳册 c a r l ) t 豫抓i i l e 川垤+ 图2 4 腕关节生理结构图 1 1 东华大学硕士学位论文 第二章上肢康复机器人设计 腕关节由手的舟骨、月骨和三角骨的近侧关节面作为关节头，桡骨的 腕关节面和尺骨头下方的关节盘作为关节窝而构成。关节囊松弛，关节的 前、后和两侧均有韧带加强，尺侧副韧带连于尺骨茎突与三角骨之问，桡 侧副韧带连于桡骨茎突与舟骨之问，其中掌侧韧带最为坚韧，所以腕的后 伸运动受限。 腕关节最重要的自由度为腕关节的屈伸运动，背屈运动角度为：o o 7 0 0 ，掌屈运动角度为：0 0 9 0 。 2 1 2 人体手部生理结构 人手的结构精细复杂，是人体从事各种活动和工作的重要器官，手的 骨骼在运动中发挥支撑以及姿态的主导作用，手指骨与关节的定义如图2 5 所示。 糖黯糕攀 疆街串带 曦赣枣节 兰主罢二一二：二j i l ；蟊蕙， 羊弗嚣 图2 5 手部骨骼结构图 手是人体从事各样活动和工作的重要器官，由于手骨体形小，数量多， 连接复杂，主要由腕骨、掌骨、指骨所组成，共有大小不同的骨2 7 块，决 定了手的功能复杂而灵巧。五指主要运动方式为各自向内弯曲，并能左右 轻微摆动。 东华大学硕士学位论文第二章上肢康复机器人设计 2 2 上肢康复机器人的设计要求 2 2 1 上肢康复机械臂的设计要求 借助康复机器人对患者进行临床康复的理论研究在经过这些年的发展后取 得了一定的成果，但实现其真正的临床应用仍然需要不断探索和改进。康复机器 入是医用服务机器人，作为直接与人体作用的机构，需从以下几个方面考虑康复 机器人的设计要求。 ( 1 ) 基本功能设计要求 康复机器人最基本的要求，是根据人体上肢的生理结构，实现上肢康复机器 人的多自由度运动。 根据人体手臂生理结构我们可知人体手臂具有6 个自由度，但肩部的旋前 旋后运动范围较小，并可通过前臂的旋前旋后运动进行补偿。因此在考虑实现 机械臂功能要求的前提下，可将上肢康复机械臂简化为5 个自由度，分别为：肩 关节2 个( 前屈后伸、外展内收) 、肘关节2 个( 屈曲伸展、前臂的旋后旋前) 、 腕关节1 个( 屈“中运动) ，该机构可带动人体上肢做康复训练运动。 ( 2 ) 安全性设计要求 安全性设计包含两层含义：一是康复机器人与人处在同一运动空间来共同完 成响应任务，需要保证机器人不与人体碰撞而保证使用者的安全；二是针对运动 功能原本就已被损伤的患者患肢，由于其更易受到伤害，设计时更要关注其运动 幅度的问题，以保证患者的安全。 安全性设计具体体现在机构的设计方面、运动规划以及控制等方面。合理的、 人性化的机构设计首先从硬件上体现对安全的考虑，然后以康复运动规划作为标 准，通过软件控制机械装置的运动，实现对康复对象的多重保护【l 】。 ( 3 ) 康复训练设计要求 对于个体不同、病情不同的患者，或是康复训练阶段不同的患者，其需要的 康复训练方式是不同的，需要结合临床医学的一些理论，提出更为有效、更具针 对性的训练方式。康复机器人不仅可以实现现有康复治疗师可以完成的训练方 式，更需丌发康复治疗师难以完成的训练方式。同时康复机器人不以高精度控制 与快速响应为主要指标，而以完成既定康复运动为主要目标，使患肢各运动关节 均衡的获得有效康复训练。 因此文中所提出的一些适合康复训练的方式，通过相应的康复运动规划来实 现。 ( 4 ) 辅助要求 由于此机器人的工作环境是在医院或是患者家中，二者均要求洁净的环境， 东华大学硕士学位论文第二章上肢康复机器人设计 所以所设计的机器人在外观上应该尽量做到美观干净，应避免润滑油脂可能产生 的油污。 另外在机器人的设计过程中，须以人为本进行细节的完善，如：患者训练过 程中肢体的支撑问题，训练过程中患者的舒适度以及穿戴简易程度问题，并且应 使康复机器人的机械结构尽量紧凑且易于操作。 ( 5 ) 高级要求 普通康复机器人只是使患者被动的完成一系列机械动作，并没有提高和保 持患者训练的积极性。因此在康复过程应强调提高人机交互性与协调性，旨在促 使患肢被动运动产生肢体运动信号的同时又能刺激患者大脑产生相应支配运动 信号，进而有效促进生物反馈，更好地完成患肢的康复。 2 2 2 上肢康复机械手的设计要求 上肢康复机械手是帮助由于中风造成手部运动功能障碍的患者进行主动康 复训练的自动化机械装置，帮助患者进行多关节的手部运动功能的训练，可有效 减轻水肿，避免手指痉挛及非麻痹性肌肉萎缩，使运动尽可能达到协调和随意， 提高活动自由度，使手部功能得到好的恢复，缩短康复疗程，降低治疗费用【1 引。 上肢康复机械手除了涉及一些康复机器人的通用设计要求，例如2 = 2 1 中提 到的安全性设计要求，还要遵循一些康复机械手所独有的设计要求。 首先，对于康复患者来说，拇指和食指的康复是最重要的，因此康复机械 手的功能设计要求为5 个手指均参与运动。 其次，设计要求康复机械手结构简单，但具有与康复机械臂之间的可拆卸 连接装置，不仅要有足够的强度还应更具柔顺性，更适合穿戴，减轻患者心理压 力，更有利于康复训练。 最后，设计要求成本低廉，提高康复机器人的性价比，减轻患者所要承担 的巨大经济负担，更好的将康复机器人投入市场。 2 3 驱动方案 2 3 1 驱动方式介绍 机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类，康复机器人的 驱动系统也不例外。根据需要也可由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。 这三类基本驱动系统的各有自己的特剧1 9 】。 ( 1 ) 液压驱动系统 液压技术是一种比较成熟的技术。它能够以较小的驱动器输出较大的驱动力 1 4 东华大学硕士学位论文 第二章上肢康复机器人设计 或力矩，定位精度高，快速响应高，易于实现直接驱动等优点。适用于承载能力 大，惯量大而运动速度较低的机器人。但液压系统需进行能量转换( 电能转换成 液压能) ，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。液压系 统的液体泄漏会对环境产生污染，工作噪声也较高。由于这些弱点，近年来，负 荷较小的机器人中往往采用电动驱动系统。 ( 2 ) 电动驱动系统 电动驱动是利用各种电动机产生力和力矩，直接或经过传动机构驱动执行机 构，以获得机器人的各