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課題：上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名 XXXXXX
學(xué) 號(hào) XXXXXX
所在學(xué)院 XXXXXX
專 業(yè) XXXXXX
班 級(jí) XXXXXX
指導(dǎo)教師 XXXXXX
摘要
外骨骼系統(tǒng)由多個(gè)與人體關(guān)節(jié)相似的關(guān)節(jié)組成的機(jī)械系統(tǒng)，通過(guò)與人體相連接而發(fā)揮功能，屬于機(jī)器人的范疇，對(duì)其進(jìn)行的研究活動(dòng)就屬于機(jī)器人研究領(lǐng)域分支。該系統(tǒng)能有效幫助身患?xì)埣策\(yùn)動(dòng)不便的人恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力，因?yàn)榛颊呤褂貌僮髟撓到y(tǒng)，與身體之間能傳遞體力，一定程度上可以增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力。
筆者在文中對(duì)人體上肢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了全面的分析，主要是從實(shí)用性方面來(lái)進(jìn)行的。筆者運(yùn)用專業(yè)知識(shí)設(shè)計(jì)了一款可以依附于人體的上肢機(jī)器人，它能實(shí)現(xiàn)自由的轉(zhuǎn)動(dòng)，非常符合身體上肢的運(yùn)動(dòng)需求，便于人體的穿戴。通過(guò)深入分析可知，在設(shè)計(jì)該款機(jī)器人的時(shí)候，使用了D-H方法，它屬于連桿坐標(biāo)系里的。依次為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了該款機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系圖，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型。除此之外，還對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的正逆問(wèn)題進(jìn)行了分析，推導(dǎo)除了的雅可比矩陣。當(dāng)計(jì)算出機(jī)器人速率的前提下，使用該矩陣就能推算出它的尾端運(yùn)動(dòng)水平。機(jī)器人的工作空間受到連桿長(zhǎng)度以及空間尺寸的影響，得出該結(jié)論，使用過(guò)使用圖解法對(duì)其空間進(jìn)行分析做出的。一般情況下，設(shè)計(jì)人員都是利用proe設(shè)計(jì)軟件，來(lái)創(chuàng)建機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。為了獲取它的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)者會(huì)進(jìn)行仿真練習(xí)。除此之外，筆者還深入研究了機(jī)器人不同關(guān)節(jié)的相關(guān)信息，以此為基礎(chǔ)，繪制了關(guān)節(jié)的位置以及運(yùn)動(dòng)速度曲線。所有的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析，都是從理論上證明了該系統(tǒng)的科學(xué)性，為之后的專業(yè)性研究奠定了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：proe 、康復(fù)設(shè)備、可穿戴式機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
Ⅱ
Abstract
Exoskeleton system is composed of a plurality of human joints and similar joints consisting of a mechanical system by connecting with the human body to function, belongs to the category of the robot, its research activities belong to the field of robotics research branch. The system can effectively help people with reduced mobility disability exercise recovery exercise capacity, because patients with the operation of the system, between the body and can pass the physical, can enhance athletic ability to a certain extent.
The author in the text of the upper limb movement conducted a comprehensive analysis, mainly from the practical aspects carried out. I use our expertise to design a robot can be attached to the body of the upper limb, it can achieve a free rotation, it is consistent with the needs of the body movement of the upper limbs, to facilitate the body's wear. Through in-depth analysis, which in the design of the robot when using D-H method, which belongs to the coordinate system of the link. Followed by the foundation, which created a robot coordinate system link diagram, and on this basis, the design of the robot motion model.In addition, further positive movement robot inverse problem is analyzed, in addition to the derivation of Jacobian matrix. When the robot is calculated under the premise of the rate of use of the matrix will be able to figure out it's the end of the horizontal movement. Robot workspace is affected by the length of the connecting rod and spatial dimensions of that conclusion, using a graphical method used to analyze the spatial made. In general, designers are utilizing proe design software to create a robot structure model. In order to obtain data on its trajectory, the designer will conduct simulation exercises. In addition, we also deeply studied the different joints of the robot-related information as a basis to draw the position and velocity profile joints. All data collection and data analysis are theoretically proved that the scientific system, laid the theoretical foundation for the professional study later.
Key words：proe、Rehabilitation equipment、 Wearable exoskeleton、 Kinematics analysis;
Ⅲ
目 錄
摘要 2
ABSTRACT 3
緒論 5
1.1研究背景與意義 5
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 6
1.2.1國(guó)外發(fā)展概況 7
1.2.1國(guó)外發(fā)展概況 9
1.2.3存在的問(wèn)題 11
1.3主要研究?jī)?nèi)容 12
第2章機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
2.1機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求及原理 13
2.1.1人體上肢運(yùn)動(dòng)分析 13
2.1.2機(jī)器人設(shè)計(jì)原理 14
2.2機(jī)械人總體方案的設(shè)計(jì) 15
2.3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 17
2.3.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 17
2.3.2驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 17
2.4機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu) 21
2.5 本章小結(jié) 22
第3章機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 23
3.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正分析 23
3.1.1連桿坐標(biāo)系及連桿參數(shù)的確定 23
3.1.2連桿變換和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 25
3.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆分析 27
3.4本章小結(jié) 30
第4章運(yùn)動(dòng)空間分析 31
4.1 工作空間的確定方法 31
4.2關(guān)節(jié)桿長(zhǎng)對(duì)工作空間的影響 33
4.3本章小結(jié) 35
第5章總論與展望 36
5.1總結(jié) 36
5.2 展望 37
5.2.1機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的展望 37
5.2.2控制創(chuàng)新的展望 37
致謝 39
參考文獻(xiàn) 40
緒論
1.1研究背景與意義
最近幾年，電子技術(shù)發(fā)展迅速，通過(guò)與結(jié)構(gòu)學(xué)的相結(jié)合，研制出了機(jī)器人，成為現(xiàn)代科技的重要標(biāo)志，在機(jī)電科學(xué)領(lǐng)域?qū)儆诟叨丝蒲谐晒??？茖W(xué)家為了研制出機(jī)器人，綜合運(yùn)用了電子信息、自動(dòng)化以及機(jī)械設(shè)計(jì)等各個(gè)專業(yè)研究領(lǐng)域的現(xiàn)金研究成果。現(xiàn)如今，專用于醫(yī)學(xué)方面的機(jī)器人技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，這主要得益于與之相關(guān)的工程機(jī)械學(xué)、生物技術(shù)、電子信息技術(shù)、電腦職能技術(shù)以及其他與之相關(guān)的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)研究成果層出不窮，這些學(xué)科專業(yè)知識(shí)的發(fā)展，有力的推動(dòng)了醫(yī)療專用機(jī)器人設(shè)備的發(fā)展。為了在醫(yī)療診斷和患者康復(fù)方面，工作水平有進(jìn)一步的提高，科學(xué)家通過(guò)對(duì)不同學(xué)科最新研究成果的研究和分析，設(shè)計(jì)了機(jī)器人。最為常見的就是輔助病人身體康復(fù)的機(jī)器人，這類機(jī)器人的主要功能是幫助病人恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，對(duì)傷害的肢體進(jìn)行矯正。醫(yī)用康復(fù)機(jī)器人分為兩類，最主要的、使用最廣泛的就是輔助機(jī)器人，它的主要使用者是年老體弱者或身有殘疾者，能充當(dāng)肢體發(fā)揮部分運(yùn)動(dòng)功能，從而能基本應(yīng)對(duì)平常的生活工作需要。
全球范圍內(nèi)，不少國(guó)家已經(jīng)步入老齡化社會(huì)，聯(lián)合國(guó)相關(guān)部分的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，再過(guò)不到五十年，全球的老年人數(shù)量會(huì)翻一番。除此之外，因各種人為和自然災(zāi)害產(chǎn)生的殘疾人數(shù)量也會(huì)激增，他們必須有專人服務(wù)，才能繼續(xù)生活下去?，F(xiàn)在所研制的醫(yī)用機(jī)器人，一方面能幫助他們應(yīng)對(duì)生活中面臨的困難，另一方面能讓他們重拾自尊，樹立繼續(xù)生活下去的自信心，保持良好的心態(tài)，面對(duì)生活工作中的一切艱難險(xiǎn)阻?，F(xiàn)如今，醫(yī)用機(jī)器人主要包括肢體矯形器、運(yùn)動(dòng)假肢等四類的產(chǎn)品，將工學(xué)知識(shí)與醫(yī)學(xué)理論高度融合起來(lái)。醫(yī)學(xué)理論和工科知識(shí)相融合，研制出了肢體康復(fù)機(jī)器人。因?yàn)檠芯康臅r(shí)間不長(zhǎng)，與上肢康復(fù)機(jī)器人相比，技術(shù)還不是很成熟，產(chǎn)品種類也不多，只能在人體的部分關(guān)節(jié)使用，幫助手腕等關(guān)節(jié)恢復(fù)健康。另外，因?yàn)樗仟?dú)立制作的，與人體手臂關(guān)節(jié)的配合度還不是很高，影響到了使用者的最佳體驗(yàn)。因?yàn)閲?guó)內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)水平不高，為了滿足實(shí)際的應(yīng)用需要，我國(guó)從國(guó)外花高價(jià)購(gòu)買了大量醫(yī)療輔助設(shè)備?？偠灾?，科技的發(fā)展日新月異，用于醫(yī)用輔助設(shè)備研究的技術(shù)發(fā)展迅速，很多專業(yè)組織機(jī)構(gòu)必然會(huì)加強(qiáng)該領(lǐng)域的研究，這就推動(dòng)了醫(yī)用輔助設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的發(fā)展趨勢(shì)。
外骨骼系統(tǒng)屬于機(jī)器人學(xué)的重要組成部分，它與我們理解的一般機(jī)器人有很大的不同。該輔助系統(tǒng)與人的身體關(guān)節(jié)有很大的相似性，在工作的時(shí)候會(huì)仿照人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)，在活動(dòng)范圍上與人體也有極高的相似度。外骨骼與普通機(jī)器人很相像，對(duì)其概念的把握不是很容易。通常情況下，能附著于人體外面的，受制于人體的設(shè)備都屬于外骨骼的范疇。該系統(tǒng)的主要特性如下：使用該系統(tǒng)，患者的運(yùn)動(dòng)能力大為提升，具備了能完成之前認(rèn)為不可能完成的工作；它的抗阻性不高，對(duì)于使用者的正?；顒?dòng)不會(huì)產(chǎn)生很大的影響；它的接口設(shè)計(jì)的非常合理，使用者在運(yùn)用的時(shí)候，會(huì)感覺輕松自如，使用體驗(yàn)上佳，能讓患者感覺與外骨骼是高度融合在一起的，而不是額外添加的一部分，實(shí)現(xiàn)了人體和外骨骼系統(tǒng)的有機(jī)統(tǒng)一；外骨骼使用壽命長(zhǎng),它具有足夠的使用持久性、耐久性,可以多次充電,快捷簡(jiǎn)單易操作；外骨骼是使用很舒適的產(chǎn)品，它穿戴在使用者身上，給人一種很舒適、安全的感覺,而且使用很方便。綜上所述，在患者運(yùn)動(dòng)能力康復(fù)過(guò)程中，外骨骼發(fā)揮的作用是巨大的。在該研究領(lǐng)域當(dāng)中，研究人員通過(guò)使用對(duì)其評(píng)估結(jié)果，對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能的提升方面的研究，已經(jīng)成為核心內(nèi)容。
課題的目的是設(shè)計(jì)一種上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人,通過(guò)可穿戴式外骨骼帶動(dòng)患者的患肢運(yùn)動(dòng),模擬日常生活中的手臂運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)手臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，加大對(duì)肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)的鍛煉強(qiáng)度，確保該系統(tǒng)和人體的高度統(tǒng)一，從而達(dá)到最優(yōu)康復(fù)訓(xùn)練效果。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
從二十世紀(jì)六十年代開始，專家學(xué)者們就將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到了患者身體運(yùn)動(dòng)機(jī)能，雖然取得一定的進(jìn)步，但是該類機(jī)器人只是發(fā)展緩慢。到20世界80年代后，隨著計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人的研究與開發(fā)開始得到絕大多數(shù)人的注意。直到步入 21 世界康復(fù)機(jī)器人走進(jìn)了發(fā)展的黃金時(shí)期，各種各樣的機(jī)器人如雨后春筍般出現(xiàn)，甚至一些機(jī)器人已經(jīng)形成產(chǎn)品化并用于臨床研究之中。
1.2.1國(guó)外發(fā)展概況
外國(guó)對(duì)機(jī)器人的研究開始比較早，從1991年開始，麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)MIT-MANUS上肢機(jī)器人系統(tǒng)，它屬于連桿類型的機(jī)器人，主要是對(duì)患者的肩膀和肘部進(jìn)行恢復(fù)性治療。一方面可以最大程度的降低操控方面的阻力，另一方面還能保障患者使用的安全。綜上所述，該系統(tǒng)在幫助患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力方面具有顯著的作用。此外，該系統(tǒng)可以通過(guò)人機(jī)交互界面可以直接準(zhǔn)確測(cè)量患者手臂的平面運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
圖1-1
在瑞士蘇黎世大學(xué) Nef 等人的不懈的努力研究下，于2005年成功研制了一套坐式名為 ARMin 的外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)備，如圖 1-2所示。它是由輪椅進(jìn)行固定的，有六個(gè)節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行調(diào)整角度，可以實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)，肩關(guān)節(jié)的 3 個(gè)自由度以及腕部的屈伸運(yùn)動(dòng)?；颊呖梢愿鶕?jù)自己的需求，運(yùn)用操控系統(tǒng)設(shè)置符合現(xiàn)狀的運(yùn)動(dòng)方式。為了檢測(cè)患者康復(fù)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，我們?cè)跈C(jī)器人各關(guān)節(jié)處安裝了位置傳感器和力傳感器，以此來(lái)提高保證訓(xùn)練的安全性。除此之外，機(jī)器人還可以根據(jù)患者的上肢尺寸進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。
（a）第一代 （b）第二代
圖 1-2
2006 年，華盛頓大學(xué)的 C.Perry 等人研制了一套名為 CADEN-7 的七自由度的外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，如圖 1-3所示。該機(jī)器人采用電機(jī)控制，控制肘部和腕部的滑輪和線纜組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成規(guī)定的康復(fù)訓(xùn)練要求，同時(shí)該機(jī)器人系統(tǒng)大量結(jié)合了正常人肢體日常所需的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，動(dòng)力學(xué)參數(shù)，工作空間，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍等，并且符合人體工學(xué)的設(shè)計(jì)要求。
圖1-3
1.2.1國(guó)外發(fā)展概況
相對(duì)于國(guó)外已經(jīng)較為成熟的外骨骼式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)，我國(guó)在該領(lǐng)域的研究開始的晚，研究水平不高，形成產(chǎn)品化的機(jī)器人少之又少。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)開始重視外骨骼式康復(fù)機(jī)器人的研究，所取得的研究成果也非常多，并逐步縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的距離。2007 年，清華大學(xué)的王東巖教授，經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)出了立式外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)肩部的伸屈、外展內(nèi)收，肘部的伸屈，在患者通過(guò)使用它，可以完成相對(duì)簡(jiǎn)單的肢體動(dòng)作。
圖1-4
2011 年，華中科技大學(xué)吳軍等人研制了一種基于氣動(dòng)肌肉的雙向?qū)?qū)動(dòng)方式的外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人，如圖 1-5所示。該機(jī)器人通過(guò)氣動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)患者肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)和伸屈，以及肘關(guān)節(jié)的伸屈。在采用氣動(dòng)肌肉的方式可以增加機(jī)器人的柔順性，減少剛性結(jié)構(gòu)對(duì)患者的損傷，并且可以使康復(fù)訓(xùn)練滿足日常生活的訓(xùn)練強(qiáng)度。
圖1-5
2011 年,上海交通大學(xué)和 CAD 模具聯(lián)合中心共同開發(fā)設(shè)計(jì)的外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人如圖 1-10所示。該機(jī)器人在機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上設(shè)計(jì)了 7個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的三個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度以及腕關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度。機(jī)器人安裝在一個(gè)座椅上，并通過(guò)可調(diào)節(jié)裝置更好滿足患者的訓(xùn)練要求。除此之外，該機(jī)器人還提供了重力補(bǔ)償功能，以提高訓(xùn)練的安全性。
圖1-10
1.2.3存在的問(wèn)題
在上文中提到的外骨骼系統(tǒng)，不僅在國(guó)內(nèi)外都處于該領(lǐng)域的領(lǐng)先位置,而且有的已經(jīng)應(yīng)用于臨床的康復(fù)治療之中,甚至已經(jīng)產(chǎn)品化了投向市場(chǎng)了。但是，通過(guò)上述的分析，他們?nèi)匀淮嬖谥恍﹩?wèn)題：
（1）現(xiàn)有的機(jī)器人大多數(shù)將上肢結(jié)構(gòu)和手指結(jié)構(gòu)分開進(jìn)行設(shè)計(jì)，只是針對(duì)部分關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，沒有考慮到整個(gè)上肢的訓(xùn)練要求。手是人體比較精細(xì)的機(jī)構(gòu)，微小空間內(nèi)神經(jīng)與血管相互交錯(cuò)，小型肌肉群遍布全手，這使得手指損傷的治療比較困難，要求比較高，且治療過(guò)程和康復(fù)周期時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。通常情況下，上肢偏癱患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)是從肩部開始，手指是往往是最后恢復(fù)的。因此，在醫(yī)學(xué)界，一些醫(yī)院將手指的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)情況作為上肢康復(fù)情況的標(biāo)準(zhǔn)。所以在機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮將上肢與手指進(jìn)行結(jié)合。
（2）通過(guò)上述機(jī)器人可以看到，大多數(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較龐大，不具有便攜性，而且患者在家中不便于進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這對(duì)患者的康復(fù)也會(huì)起到一些負(fù)面作用。一些機(jī)器人將執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分開，不僅增大了系統(tǒng)體積，而且降低了機(jī)器人的集成度。除此之外，機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這導(dǎo)致機(jī)器人不具有輕便性，患者穿戴在身上還要克服較大的機(jī)構(gòu)重量，這降低了康復(fù)訓(xùn)練的安全性。
（3）大多數(shù)機(jī)器人沒有將人體的生理信號(hào)與控制信號(hào)進(jìn)行結(jié)合，除了采用了表面肌電信號(hào)，應(yīng)該還要對(duì)患者腦電信號(hào)進(jìn)行分析。因?yàn)橹酗L(fēng)主要來(lái)自于腦神經(jīng)的受損，對(duì)腦電信號(hào)的分析有助于評(píng)價(jià)患者的康復(fù)情況和執(zhí)行高效的康復(fù)訓(xùn)練。采用腦電信號(hào)和表面肌電信號(hào)結(jié)合的辦法可以指定一套科學(xué)的康復(fù)評(píng)價(jià)體系。
（4）在機(jī)器人的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)時(shí)，沒有考慮到機(jī)器人對(duì)患者的力學(xué)影響，這使得機(jī)器人在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)時(shí)容易對(duì)患者的關(guān)節(jié)進(jìn)行二次損傷，不利于患者的康復(fù)。
（5）大多數(shù)機(jī)器人沒有將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入系統(tǒng)之中，降低了康復(fù)訓(xùn)練的趣味性，容易使患者產(chǎn)生心理疲勞，降低其對(duì)于康復(fù)的積極性，影響康復(fù)的效果。
1.3主要研究?jī)?nèi)容
手臂外骨骼康復(fù)系統(tǒng)是此次課題開發(fā)和研制的最終目的。使用該套系統(tǒng)，可以幫助患者實(shí)現(xiàn)各種角度的運(yùn)動(dòng)，主要有頸部的旋轉(zhuǎn)、肘部的伸縮以及肩部的上下運(yùn)動(dòng)。要查閱大量的專業(yè)性資料，并對(duì)機(jī)器人方面的專業(yè)知識(shí)有全面的了解，只有這樣才能熟悉機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀。通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在該領(lǐng)域的研究成果，筆者做了相應(yīng)的集成和創(chuàng)新發(fā)展。在下文中，要做的工作內(nèi)容如下：
1、機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)
筆者在設(shè)計(jì)機(jī)器人的時(shí)候，對(duì)身體上肢運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行了深入的研究，主要是適應(yīng)人體的舒適性。通過(guò)對(duì)人體的構(gòu)成要素和在穿戴方面的需要，對(duì)機(jī)器人的構(gòu)成部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)。
2、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
我們首先建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，通過(guò)運(yùn)動(dòng)知識(shí)的正逆算法，經(jīng)過(guò)分析總結(jié)出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)屬性，最終設(shè)計(jì)它的雅可比矩陣。
3、工作空間分析
在對(duì)機(jī)器人正問(wèn)題進(jìn)行分析并尋求解決之策的時(shí)候，用到的是圖解法，分析并總結(jié)出了它的活動(dòng)區(qū)域和連接桿長(zhǎng)度對(duì)機(jī)器人運(yùn)行區(qū)域會(huì)產(chǎn)生影響的答案。
第2章 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
這一章節(jié)的主要內(nèi)容是分析上肢的運(yùn)動(dòng)原理，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出機(jī)器人和患者結(jié)合的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了全新的數(shù)據(jù)模型，在保證沒有很多較大活動(dòng)角度的前提下，能最大程度的發(fā)揮機(jī)器人在患者上肢機(jī)能康復(fù)方面的作用。除此之外，還要對(duì)人體的結(jié)構(gòu)和穿戴性進(jìn)行深入分析，介紹機(jī)器人的構(gòu)造內(nèi)容和運(yùn)行方式。
2.1機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求及原理
2.1.1人體上肢運(yùn)動(dòng)分析
對(duì)人體上肢進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，所選用的標(biāo)準(zhǔn)要對(duì)每個(gè)患者的身體上肢尺寸相適應(yīng)，根據(jù)個(gè)人的身體的各部位尺寸的不同，來(lái)選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)。為了研究人們身體的特性，根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)對(duì)人體測(cè)量數(shù)據(jù)的要求，來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。從1989年7月開始，我國(guó)制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)對(duì)身體進(jìn)行測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)包括7個(gè)內(nèi)容，人類的身體的大小的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，中國(guó)成人男性（年齡18-60歲，女性18-55歲），身體的各要素?cái)?shù)據(jù)不同，根據(jù)表2所示，作為人體尺寸的設(shè)計(jì)參考：
表2-1 人體主要參數(shù)表
我們通過(guò)對(duì)人體上肢的運(yùn)動(dòng)作了充分的了解，從而設(shè)計(jì)出了能幫助殘疾人完成日常行為的人體幾肢康復(fù)系統(tǒng)。在當(dāng)前的環(huán)境中，所收集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性很高，能廣泛應(yīng)用于不同環(huán)境，是很有難度的。這主要是因?yàn)樯现顒?dòng)靈活，運(yùn)動(dòng)性較高，與之相關(guān)的關(guān)節(jié)、神經(jīng)以及其他組織眾多，可以說(shuō)是牽一發(fā)而動(dòng)全身。所以，對(duì)其運(yùn)動(dòng)方式的研究，只能運(yùn)用實(shí)用性的角度進(jìn)行。
圖2-1
人類的上肢主要是由肩關(guān)節(jié)、手臂、肘部、手腕和手組成的。肩關(guān)節(jié)連接了人體和上臂，前臂的肘關(guān)節(jié)臂上通過(guò)連接著手和手腕，前臂接頭通過(guò)它連接身體。手的自由度很大，運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，所以一般不在此進(jìn)行分析。除了人體手部活動(dòng)之外，為了完成生活過(guò)程中的一些動(dòng)作，需要關(guān)節(jié)活動(dòng)主要有：肩關(guān)節(jié)的彎曲、擴(kuò)展、回內(nèi)、內(nèi)轉(zhuǎn)、外面擺放，肘部彎曲、伸展，前臂內(nèi)自旋、手關(guān)節(jié)彎曲伸展、內(nèi)轉(zhuǎn)等。在對(duì)人類身體的上肢進(jìn)行分析的時(shí)候，都會(huì)使用這些自由度創(chuàng)建模型，如下圖表示。
設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人的構(gòu)造非常困難，因?yàn)樗w小很輕。在制造這種錫系統(tǒng)的時(shí)候，要想提高一個(gè)自由度，設(shè)計(jì)和制造的機(jī)械的復(fù)雜性、難度和成本都是原來(lái)的兩倍。所以，在充分滿足患者實(shí)際需要的前提下，要盡量減少機(jī)器人的自由度，從而建立一個(gè)新的運(yùn)動(dòng)模型。
2.1.2機(jī)器人設(shè)計(jì)原理
在本課題設(shè)計(jì)中，筆者只將肩部的兩個(gè)自由度和肘部的一個(gè)自由度考慮在內(nèi)，使用該機(jī)器人能幫助患者進(jìn)行上面三種類型的活動(dòng)。使用本文研制的機(jī)器人，為滿足患者的生活實(shí)際需要，并確保安全穩(wěn)定，患者的肘關(guān)節(jié)伸展角度最大為154°，肩關(guān)節(jié)伸展的角度最大分別為60°和180°；內(nèi)外旋轉(zhuǎn)的最大角度分別是95°和80°。通常情況下，會(huì)將機(jī)器人肘關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度控制在120度之內(nèi)。
患者的受到機(jī)器人的控制，這是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中我們所充分考慮到的，患者的四肢的損傷非常容易的。所以我們，康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人可以不與患者有直接的肢體接觸，設(shè)計(jì)的時(shí)候，關(guān)肢上的大牽引力并沒有發(fā)生，四肢固定機(jī)構(gòu)支持患者使用構(gòu)造機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。為保證肢體的柔軟性，必須對(duì)機(jī)器人進(jìn)行全面的精細(xì)檢查，可以考慮的是外骨骼是與人體進(jìn)行高度的結(jié)合，從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的定力，在活動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生自由度。正常狀態(tài)下，患者身體是受機(jī)器人帶動(dòng)的，這兩者的重心是一樣的，這就保證它們的活動(dòng)自由度也必須是相同的，從而使人體使用外骨骼更加隨心所欲。
2.2機(jī)械人總體方案的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)人員在研制手臂外骨骼系統(tǒng)使用目標(biāo)的時(shí)候，選取身高為175.4cm的成年男子為對(duì)象，體重為七十一公斤，選取對(duì)應(yīng)的尺寸數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案如下：
圖2-2
該類型的機(jī)器人使用的是關(guān)節(jié)型構(gòu)造，這種形式的機(jī)器人特別之處在于它的外體小，活動(dòng)空間大，有較高的靈活度。這種形式的機(jī)器人構(gòu)造內(nèi)部，肩部是兩個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)是一個(gè)自由度，這里面（1）肩關(guān)節(jié)的伸縮軌跡為θ1，（2）肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的區(qū)域?yàn)棣?，構(gòu)成的肩部具有兩個(gè)自由度；伸縮運(yùn)動(dòng)的肘部具有一個(gè)自由度，它們的自由度分布圖如下所示。設(shè)計(jì)人員還在外骨骼系統(tǒng)上面安裝了編碼設(shè)備以及操作設(shè)備，收集運(yùn)動(dòng)信息內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)屬性的增強(qiáng)。筆者所設(shè)計(jì)的機(jī)器人是由高強(qiáng)度的鋁合金構(gòu)成的，機(jī)器人一方面要便于患者創(chuàng)帶，另一方面，這種材質(zhì)非常輕，能有效減輕患者的負(fù)重。按照標(biāo)準(zhǔn)，該機(jī)器人的總重量為七公斤。
圖2-3
筆者將機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下，主要目的是適應(yīng)患者生活工作的需要，能方便穿戴。
肩部的屈/伸關(guān)節(jié)： 30°/s 5 r/min
肩部外/內(nèi)旋關(guān)節(jié): 30°/s 5 r/min
肘關(guān)節(jié): 60°/s 10 r/min
各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍:
肩部的屈/伸關(guān)節(jié): θ1= 0°～90°
肩部外/內(nèi)旋關(guān)節(jié): θ2=-45°～45°
肘關(guān)節(jié): θ3= -0°～120°
2.3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)
對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)的最初的考慮，根據(jù)應(yīng)用的要求簡(jiǎn)化信賴性和機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)。我們確定了整體設(shè)計(jì)，對(duì)零部件的選擇，要充分考慮機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?？偠灾?，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人工作轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定，維護(hù)成本低，操作簡(jiǎn)單。
2.3.1 選取合適的驅(qū)動(dòng)方式
機(jī)器人不僅受限于環(huán)境，我們要考慮價(jià)格因素的影響，只有這樣才能達(dá)到高技術(shù)水平?，F(xiàn)在，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式是以油壓驅(qū)動(dòng)為中心，還有空壓和電力驅(qū)動(dòng)。以下三種驅(qū)動(dòng)模式的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：驅(qū)動(dòng)油壓系統(tǒng)的壓力提供更大的驅(qū)動(dòng)力，穩(wěn)定性較好，快速的響應(yīng)速度、高定位精度和剛性。作為缺點(diǎn)，復(fù)雜的油壓系統(tǒng)的性能受到環(huán)境的影響，移動(dòng)性能很差，會(huì)造成壓力泄露，影響性能的發(fā)揮。優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，行動(dòng)快速，能適應(yīng)嚴(yán)酷的工作環(huán)境。缺點(diǎn)就是精度不高，需要提高，空氣機(jī)器的噪聲較大，這就需要使用合適的控制手段來(lái)提升馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能。綜上所述，我們?cè)谠O(shè)計(jì)機(jī)器人的時(shí)候，使用的是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模式。
作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部件可以選擇直流伺服馬達(dá)，還可以選擇步進(jìn)馬達(dá)。下面是對(duì)這兩種電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)的分析：使用步進(jìn)電機(jī)，在不了解位置信息的前提下，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)開環(huán)位置的確定，可控性好，但是機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)所必要的扭矩，是根據(jù)馬達(dá)的尺寸和重量的大小的前提，會(huì)對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。如果扭矩小的馬達(dá)在減速機(jī)的后面，會(huì)大大降低速度，輸出速度也會(huì)降低，從而不利于機(jī)器人的正常運(yùn)行；因?yàn)榫哂休^快的慣性響應(yīng)速度、緊湊的結(jié)構(gòu)，超負(fù)荷能力強(qiáng)，所以通過(guò)位置的反饋來(lái)達(dá)到精度。綜上所述，我們將作為驅(qū)動(dòng)單元選擇直流伺服馬達(dá)。一般直流電動(dòng)機(jī)減速、光電式編碼，構(gòu)成了伺服單元，用戶可以根據(jù)他們自身的需求選擇。
2.3.2驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)
機(jī)器人的肩膀關(guān)節(jié)θ1彎曲伸展的驅(qū)動(dòng)方式如下圖。支持系統(tǒng)上設(shè)置的馬達(dá)考慮到減速機(jī)以及同期的牙齒，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)繞軸旋轉(zhuǎn)。使用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是，發(fā)動(dòng)機(jī)的重量不會(huì)超重，發(fā)動(dòng)機(jī)和肩膀的高度配置相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊化，提升布局的合理性。
圖2-4
根據(jù)設(shè)計(jì)要求肩關(guān)節(jié)處的最大驅(qū)動(dòng)力矩：
選用上海新寬科技稀土電機(jī)有限公司生產(chǎn)的50SYX-02型直流伺服永磁
稀土電機(jī),性能參數(shù)如表2.2所示。
表2.2 50SYX-02基本性能參數(shù)
山于所選用的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高、轉(zhuǎn)矩小，所以應(yīng)該在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和機(jī)器人臂之間添加減速機(jī)構(gòu)。我們選用的是PL60型行星減速器，具體參數(shù)如下表。
表2.3 PL60型行星減速器基本性能參數(shù)
這種類型的齒形帶，集合了皮帶、鏈條和齒輪三種傳動(dòng)方式的長(zhǎng)處，構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳送帶表面光滑，低成本，能吸收振動(dòng)力，變速比一定咬合，性能高速傳輸，功率接近百分之百，高達(dá)百分之九十八。同步使用牙齒皮帶的固體，在這個(gè)安裝康復(fù)機(jī)器人的時(shí)候，馬達(dá)低負(fù)荷速率運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為每分鐘三前轉(zhuǎn)，使用的變速比1：2等速齒形帶，這是一種齒形傳送帶。
圖2-5
機(jī)器人系統(tǒng)所要負(fù)荷的是肩膀外旋內(nèi)旋θ2和肘部彎曲擴(kuò)展的運(yùn)動(dòng)θ3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，外形比較小，構(gòu)造緊密。小型輕量構(gòu)成。機(jī)器人的肩膀外旋旋θ2是在特定的設(shè)計(jì)中，在傳達(dá)上比較傾向于直流電力驅(qū)動(dòng)的小型電動(dòng)機(jī)，使用這種傳動(dòng)帶，能實(shí)現(xiàn)1:10的齒輪變速器的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)內(nèi)外旋θ2。該類型關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)示意圖如2-5表示。直流伺服電機(jī)的臂本體嚴(yán)重依賴于減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)，大齒輪安裝在上臂中，在小齒輪的傳動(dòng)作用下，空套會(huì)繞上臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得機(jī)器人的活動(dòng)總新和患者的重心處于相同水平面，而且它們的活動(dòng)軌跡也是相似的。大齒輪的立體構(gòu)造結(jié)構(gòu)如下圖所示。因?yàn)榇簖X輪和機(jī)器人的前臂是連接起來(lái)的，當(dāng)齒輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，機(jī)器人的前臂肯定也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，最終推動(dòng)手臂在機(jī)器人前臂的帶動(dòng)下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的時(shí)候，使用的是型號(hào)為50SYX-4的直流電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表2.4顯示。
圖2-6
表2.4 50YSX-40基本性能參數(shù)
在肘關(guān)節(jié)肘θ3伸縮的時(shí)候，使用的是各種類型的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，由直流電動(dòng)機(jī)減速軸首先研究直接連接，這種結(jié)構(gòu)是很簡(jiǎn)單的，但使各關(guān)節(jié)的軸向尺寸很大，對(duì)外形產(chǎn)生不利影響，同時(shí)還加大了傳動(dòng)設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，所以不會(huì)被采納，使用特制的螺絲母就能有效處理這一難題。外骨骼系統(tǒng)的肘部轉(zhuǎn)動(dòng)θ3，其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)構(gòu)造如下圖2-7。直流電動(dòng)機(jī)和這種特制螺絲母的位置處于相同的水平，電動(dòng)機(jī)是安裝在大齒輪上面的，在直流電動(dòng)機(jī)的推動(dòng)下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上，利用連桿將螺絲與肘部的伸縮軌跡統(tǒng)一起來(lái)。當(dāng)肩關(guān)節(jié)屈曲和外旋，內(nèi)旋θ2，機(jī)器人肘關(guān)節(jié)2和3運(yùn)動(dòng)配合，以避免該機(jī)構(gòu)和人的干涉。此方案的長(zhǎng)處在于它的構(gòu)造和合理，體小質(zhì)輕。在設(shè)計(jì)該方案的時(shí)候，筆者使用的是由上海當(dāng)?shù)刂圃斓挠来胖绷麟妱?dòng)機(jī)，該設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如下圖所示：
圖2-7
2.4機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)
零件選擇是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要條件，按照機(jī)器人的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)考慮，需要對(duì)組成成分進(jìn)行調(diào)整，上肢的設(shè)計(jì)圖如2-8所示，其六個(gè)主要組成部分是同速率傳動(dòng)系統(tǒng)、設(shè)備支架系統(tǒng)、上肢大臂構(gòu)造、齒輪構(gòu)造、螺絲螺母零部件和前臂構(gòu)造。
圖2-8 機(jī)械人結(jié)構(gòu)示意圖
2.5 本章小結(jié)
本章介紹了機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成,進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。全面介紹論述了康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方案，并選用了科學(xué)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，還對(duì)人的上肢構(gòu)造以及外骨骼系統(tǒng)的穿戴設(shè)計(jì)構(gòu)造進(jìn)行了研究。
第3章 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
所謂的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，從本質(zhì)上分析，就是一種數(shù)量函數(shù)關(guān)系，闡釋了它的空間位置的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人為中心的系統(tǒng)進(jìn)行了研討，力量大小和力矩長(zhǎng)短與它們沒有必然的關(guān)系。機(jī)器人的可變空間的綜合性研究，還包含了機(jī)器人行動(dòng)執(zhí)行方位的關(guān)系。不僅如此，機(jī)構(gòu)的分析，解析機(jī)構(gòu)速度，加速度的分析活動(dòng)，都是以此為基礎(chǔ)的。
從本質(zhì)上來(lái)講，位置方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程是相同的，它們都是對(duì)坐標(biāo)體系的表示，正常情況下，機(jī)器人在各個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置和系統(tǒng)底座信息數(shù)據(jù)之間存在著一定的關(guān)系，研究者使用這種方法對(duì)上述關(guān)系進(jìn)行論述，可以使這種關(guān)系更加明確。在康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中，各個(gè)關(guān)節(jié)的變量屬于獨(dú)立的狀態(tài)，正常情況下，數(shù)量關(guān)系是通過(guò)參照系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行解釋的，這種情況下，逆運(yùn)動(dòng)方法經(jīng)常被運(yùn)用到。
3.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正分析
本文所研究的外骨骼系統(tǒng)屬于運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人，是不同型號(hào)的零部件構(gòu)成的，可以在一定的空間內(nèi)進(jìn)行自由度的活動(dòng)。對(duì)于這些零部件的介紹，筆者用到了物體空間位置關(guān)系數(shù)量方式。除此之外，還使用這種方式對(duì)機(jī)器人零部件的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行探析?，F(xiàn)如今，比較常用的就是齊次坐標(biāo)矩陣法，該方法具有很高的穩(wěn)定性，并且相對(duì)規(guī)范。這種方式還可以用于對(duì)機(jī)器人的操控方式進(jìn)行分析，還可以處理收集到的圖像資料。
3.1.1連桿坐標(biāo)系及連桿參數(shù)的確定
確立了坐標(biāo)體系，機(jī)器人的關(guān)節(jié)必須遵循相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則，即：和機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸以及Z軸處于相同的直線坐標(biāo)，它的肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的連桿X軸相同，坐標(biāo)系的三個(gè)軸間距可以用右手定律來(lái)表示。
圖3-1
圖3-2 機(jī)器人各關(guān)節(jié)的D一H坐標(biāo)系圖
在圖3 - 1安裝的康復(fù)機(jī)器人的整體構(gòu)成方案，對(duì)其進(jìn)行研究可知，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的各機(jī)器人的關(guān)節(jié)坐標(biāo)顯示一樣，通過(guò)對(duì)不同關(guān)節(jié)的構(gòu)造數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)出了參數(shù)匯總表，如下表顯示。
表3.1 三自由度機(jī)器人的關(guān)節(jié)參數(shù)表
3.1.2連桿變換和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程
連桿坐標(biāo)系（i）相對(duì)于（i-1）的變換i-1iT與ai-1，di，αi，這4個(gè)參數(shù)有關(guān)，連桿變換i-1iT的通式為：
通過(guò)對(duì)上表中的參數(shù)表進(jìn)行分析可知，在不同的矩陣中，θi的各個(gè)參數(shù)并不是一成不變的。由圖（3-1）我們可以計(jì)算出 10T, 21T, 32T的表達(dá)式如下所示：
將各連桿變換i-1iT（i=1,2,3）相乘，得到30T=10T 21 32T即
上面分別顯示了此三個(gè)關(guān)節(jié)θ1, θ2, θ3的函數(shù)變量關(guān)系，全面的顯示了機(jī)器人前臂坐標(biāo)之間的關(guān)系，即機(jī)器人變換矩陣。
為所求運(yùn)動(dòng)學(xué)正解表達(dá)式。
做一種假設(shè)，那就是將坐標(biāo)體系中的點(diǎn)當(dāng)作外骨骼系統(tǒng)上臂的點(diǎn)，也就是坐標(biāo)系統(tǒng)的{3}，點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值用3P=[X3 Y3 Z3 1]T表示，在坐標(biāo)系{0}下的其次坐標(biāo)值表示0P=[X0 Y0 Z0 1]T,則有
把機(jī)器人如圖3-2所示的位姿，即θ1=0°，θ2=0°，θ3=0°設(shè)備機(jī)器人的初始姿態(tài)，帶入矩陣30T得
3.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆分析
運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題起著在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)和控制的研究中具有重要作用，直接影響到控制精度和速度。機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程寫為：
如果機(jī)器人末端位置已給出，n,o,a和P已知，則求關(guān)節(jié)變量θ1，θ2，θ3值稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。下面使用反變換法，也被稱為代數(shù)求解。
3.4本章小結(jié)
本章首先介紹用其次坐標(biāo)變換來(lái)描述坐廠標(biāo)之間的相對(duì)位置的方法，之后主要介紹了D-H法，用于創(chuàng)建關(guān)節(jié)連桿坐標(biāo)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)示意圖，之后創(chuàng)建了它的運(yùn)動(dòng)分析數(shù)據(jù)模型，并且從正反兩個(gè)方面對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討，計(jì)算機(jī)器人末端在空間的運(yùn)動(dòng)速度，研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和控制的重要內(nèi)容都包含以上所敘述,也為規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的基礎(chǔ)。
第4章 運(yùn)動(dòng)空間分析
工作空間的本質(zhì)就是運(yùn)用數(shù)學(xué)幾何的方式，來(lái)探討機(jī)器人的功能。工作空間的大小代表機(jī)器人的活動(dòng)范圍,它是評(píng)估機(jī)器人工作能力的一個(gè)重要的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)。工作空間是在機(jī)器人的設(shè)計(jì)、控制及應(yīng)用過(guò)程中,需要考慮的重要問(wèn)題，此外,機(jī)器人機(jī)構(gòu)的合理性也可以使用工作空間來(lái)進(jìn)行評(píng)估。
4.1 工作空間的確定方法
工作空間一般存在兩個(gè)基本問(wèn)題：（1）我們要如何解決對(duì)于具有規(guī)定關(guān)節(jié)變量變化范圍和一定結(jié)構(gòu)形式或結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)器人求解其工作空間,簡(jiǎn)稱為工作空間分析或工作空間問(wèn)題。（2）給出一定的工作空間,我們要如何確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)和關(guān)節(jié)變量的變化范圍,稱為機(jī)器人的綜合或作空間的逆問(wèn)題。
在該章節(jié)中，筆者主要分析了工作空間的正問(wèn)題。有很多方法可以用于界定工作空間，比如數(shù)量解析法和圖解法，前者具有較強(qiáng)的使用價(jià)值，后者的直觀性較高，因此采用圖解法研究機(jī)器人的工作空間的大小。用圖解法求工作空間，得到的往往是工作空間的各類剖截面或剖截線,但它直觀性強(qiáng)，便于和計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)，可以顯示在可達(dá)點(diǎn)內(nèi)機(jī)器人的構(gòu)形特征?？蓪⒈菊n題設(shè)計(jì)的機(jī)器人前后兩關(guān)節(jié)和中間關(guān)節(jié)分成兩組,前兩關(guān)節(jié)稱之為位置結(jié)構(gòu),主要確定工作空間大小,后一關(guān)節(jié)稱之為定向結(jié)構(gòu),主要確定機(jī)器人的位姿。以下步驟詳細(xì)介紹了機(jī)器人工作空間的作圖方法：
1、機(jī)器人結(jié)構(gòu)限制分析
肩部屈伸桿件的結(jié)構(gòu)限制是0°≤θ1≤90°
肘部屈伸桿件的結(jié)構(gòu)限制是0°≤θ3≤120°
由肩部屈伸桿件和肘部屈伸桿件決定的平面繞軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)限制是
-45°≤θ2≤45°
2、工作空間主截面圖
首先確定初始點(diǎn),取θ1=0°，θ3=0°時(shí)機(jī)器人末端參考點(diǎn)Pm為初始點(diǎn),然后分段作圖：
（1）使θ3=0°不變，以O(shè)1為機(jī)械人坐標(biāo)系{1}的原點(diǎn)，使θ1從0°到90°變化，得到圓弧CP1P2 。
（2）使θ1=0°不變，以O(shè)2為機(jī)械人坐標(biāo)系{2}的原點(diǎn)，使θ3從0°到120°變化，得到圓弧CP1P4 。
（3）使θ1=90°不變，以O(shè)2為圓心，使θ3從0°到120°變化，得到圓弧CP2P3 。
（4）使0°＜θ1＜90°，θ3=120°時(shí)機(jī)器人末端參考點(diǎn)Pm到機(jī)器人坐標(biāo)系{1}的原點(diǎn)O1的距離，集合關(guān)系如圖4-2所示，可有余弦定理算得：
圖4-2
求得機(jī)器人末端參考點(diǎn)Pm。工作空間軸截面是由上述四段圓弧的組成,如圖4-3所示。
圖4-3
3、局部環(huán)形旋轉(zhuǎn)體剖面
0°＜θ2＜45°之間變化所形成的沿軸方向的環(huán)形旋轉(zhuǎn)體剖面圖形作出后,可根據(jù)作圖過(guò)程寫出各區(qū)段的曲線方程。如下表4.1
表4.1 工作空間軸界面曲線方程表
4.2關(guān)節(jié)桿長(zhǎng)對(duì)工作空間的影響
在可穿戴上肢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí),肩高是固定不變的,而機(jī)器人末端參考點(diǎn)Pm工作空間的大小與機(jī)器人的各桿長(zhǎng)有關(guān)系，下面分別分析了機(jī)器人的上臂體桿長(zhǎng)a1和前臂體桿長(zhǎng)L2的變化對(duì)機(jī)器人末端Pm。工作空間的影響。
當(dāng)只有上臂體桿長(zhǎng)a1變化時(shí),工作空間變化如圖4-4中所示,圖中細(xì)實(shí)線表示桿長(zhǎng)a1增加時(shí)的機(jī)器人工作空間,相對(duì)于原有空間有向左平移的趨勢(shì),細(xì)點(diǎn)畫線表示體桿長(zhǎng)a1減少時(shí)的機(jī)器人工作空間,相對(duì)于原有空間有向右平移的趨勢(shì),機(jī)器人工作空間基本沒有變化,也就是說(shuō),該點(diǎn)可達(dá)位置在空間所占有的體積基本沒有變化。
圖4-4
當(dāng)只有前臂體桿長(zhǎng)L2變化時(shí),工作空間變化如圖4-5。圖中細(xì)實(shí)線表示桿長(zhǎng)L2增加時(shí)的機(jī)器人工作空間,相對(duì)于原有空間粗實(shí)線有向左平移且機(jī)器人工作空間將變大細(xì)點(diǎn)畫線表示桿長(zhǎng)L2減少時(shí)的機(jī)器人工作空間,相對(duì)于原有空間有向右平移且機(jī)器人工作空間將變小的趨勢(shì)。
圖4-5
所以，在相同變化時(shí)，上臂體桿長(zhǎng)a1對(duì)機(jī)器人末端Pm幾工作空間基本沒有影響,而前臂體桿長(zhǎng)L2對(duì)機(jī)器人末端Pm。工作空間會(huì)有較大的影響。
4.3本章小結(jié)
本章詳細(xì)介紹了機(jī)器人工作空間的定義、工作空間的數(shù)學(xué)描述，對(duì)機(jī)器人工作空間的正問(wèn)題所進(jìn)行的研究，主要使用圖解法，通過(guò)分析活動(dòng)可知，機(jī)器人的工作空間區(qū)域受到關(guān)節(jié)連桿長(zhǎng)短的影響。
42
第5章 總論與展望
5.1總結(jié)
在本文中，我們對(duì)三自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了兩個(gè)主要方面的分析。一方面，依照機(jī)器人學(xué)經(jīng)典理論，對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了探討，完成了有關(guān)理論分析和計(jì)算，創(chuàng)建外骨骼系統(tǒng)的模型。除此之外，根據(jù)課題的要求和實(shí)際情況，針對(duì)于患者上肢功能的康復(fù)，筆者設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有三個(gè)自由度，并且是可穿戴的，設(shè)計(jì)機(jī)器人的時(shí)候運(yùn)用了PROE模型設(shè)計(jì)軟件，在此基礎(chǔ)上完成了仿真測(cè)試，主要做了以下幾方面的工作
1、從可穿戴式上肢機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求入手，在患者和機(jī)器人高度結(jié)合的前提下，按照機(jī)器人制造圖紙，研制了機(jī)器人樣機(jī)，全面介紹了機(jī)器人的工作原理和運(yùn)行方式。
2、使用恰當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)外骨骼系統(tǒng)進(jìn)行全面的研究，創(chuàng)建了運(yùn)動(dòng)模型，并總結(jié)了它的各項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)，在這種條件下，可以將笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)系統(tǒng)，從而全面的分析外骨骼系統(tǒng)的各種問(wèn)題，創(chuàng)建了雅克比矩陣，對(duì)機(jī)器人運(yùn)行區(qū)域的正問(wèn)題全面的研究，得出了機(jī)器人工作空間受到關(guān)節(jié)連桿長(zhǎng)度影響的結(jié)論。
3、利用PROE軟件對(duì)可穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人的進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,得到了機(jī)器人的工作運(yùn)行軌跡,同時(shí)在仿真中也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)理論解的驗(yàn)證。
本文通過(guò)利用PROE建模后,對(duì)可穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真,驗(yàn)證了模型樣機(jī)的合理性,取得了初步的成果。但還有很多研究工作要作,需要對(duì)可穿戴式機(jī)器人許多技術(shù)進(jìn)行更深入的研究,仍有許多問(wèn)題需要探討：
1、 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電機(jī)選型以實(shí)現(xiàn)可穿戴式機(jī)器人的進(jìn)一步減重，機(jī)器人的能耗盡管會(huì)降低，但是它的各項(xiàng)性能會(huì)全面的提升。
2、實(shí)際零部件加工裝配完成后,需要將實(shí)驗(yàn)調(diào)試的結(jié)果與虛擬仿真的結(jié)果比較驗(yàn)證,同時(shí)進(jìn)一步細(xì)化仿真模型有助于更好地用虛擬樣機(jī)來(lái)模擬實(shí)際的機(jī)器人。
5.2 展望
5.2.1機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的展望
本文所設(shè)計(jì)的外骨豁式上肢康復(fù)機(jī)器人在機(jī)構(gòu)上己經(jīng)能滿足上肢運(yùn)動(dòng)的基本功能需求，但結(jié)合到設(shè)備的使用性能以及用戶體驗(yàn)等，仍有部分內(nèi)容需要進(jìn)
一步改進(jìn)：
1、外骨豁穿戴式機(jī)器人已經(jīng)成為當(dāng)下上肢康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)發(fā)展主流，設(shè)計(jì)出更加輕巧、便攜尤其是方便穿戴的機(jī)械機(jī)構(gòu)是該機(jī)器人機(jī)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)重要方向。設(shè)計(jì)出一套能自動(dòng)調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穿戴功能的設(shè)備是方便患者使用的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。
2、對(duì)于將要集成多種功能（主動(dòng)、被動(dòng)、鏡像運(yùn)動(dòng)等康復(fù)功能）為一體的康復(fù)機(jī)器人，應(yīng)該擁有一套可輕松互換的對(duì)稱執(zhí)行機(jī)構(gòu)（一側(cè)為健側(cè)，一側(cè)為患側(cè)）。因此各關(guān)節(jié)處有必要設(shè)有關(guān)節(jié)離合器，同時(shí)為了提供更加安全旳環(huán)境，對(duì)于整體機(jī)構(gòu)的功能執(zhí)行可能需要設(shè)置一套總離合器。
3、對(duì)于系統(tǒng)傳動(dòng)中的摩擦損失情況可做進(jìn)一步研究從而優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)可根據(jù)設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)出更適合該系統(tǒng)傳動(dòng)的軟管機(jī)構(gòu)及選定相關(guān)材料。
5.2.2控制創(chuàng)新的展望
在過(guò)去技術(shù)手段不高的時(shí)期內(nèi)，患者的部分運(yùn)動(dòng)機(jī)能喪失，為了盡快恢復(fù)，醫(yī)生會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間精力對(duì)患者進(jìn)行輔導(dǎo)，幫助他們進(jìn)行力量康復(fù)練習(xí)，患者的康復(fù)效果不好，有些治療醫(yī)生的訓(xùn)練方法不當(dāng)，還有可能對(duì)患者造成更為嚴(yán)重的后果。使用這種傳統(tǒng)康復(fù)手段，沒有統(tǒng)一的考評(píng)制度方法來(lái)收集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，沒有好的辦法來(lái)對(duì)訓(xùn)練活動(dòng)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)優(yōu)化，從而得到高質(zhì)量的醫(yī)治。對(duì)于康復(fù)機(jī)器人控制設(shè)計(jì)本文提出以下展望：
1、隨著智能化觸屏技術(shù)的普及和聲控技術(shù)的成熟發(fā)展下，該類技術(shù)同樣
可以運(yùn)用在康復(fù)機(jī)機(jī)器人上。
2、對(duì)于該機(jī)器人，我們提出了具有自主訓(xùn)練和監(jiān)護(hù)陪同訓(xùn)練兩類訓(xùn)練方式。其中監(jiān)護(hù)訓(xùn)練可分為專業(yè)醫(yī)師指導(dǎo)操作訓(xùn)練和非專業(yè)人事協(xié)助訓(xùn)練；自主訓(xùn)練是患者在無(wú)其他人員陪同時(shí)自主操作設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穿戴和自主康復(fù)訓(xùn)練的訓(xùn)練式，自主康復(fù)訓(xùn)練模式包括指定康復(fù)模式選擇、自主運(yùn)動(dòng)錄制、雙臂鏡像運(yùn)動(dòng)等功能。
3、同時(shí)為了有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要對(duì)臨床醫(yī)師所裔要參考的康復(fù)數(shù)據(jù)力反饋或肌電信號(hào)等）進(jìn)行有效提取及處理，方便醫(yī)師進(jìn)行康復(fù)評(píng)估以及及時(shí)制定合適的康復(fù)訓(xùn)練模式。從而有效促進(jìn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和一對(duì)多的康復(fù)監(jiān)控。因此針對(duì)提出哪些參數(shù)以及如何有效提取相關(guān)參數(shù)需要進(jìn)一步結(jié)合臨床醫(yī)學(xué)及康復(fù)工程作深入研究。
4、設(shè)計(jì)趣味化康復(fù)模式?？舍槍?duì)康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容設(shè)計(jì)出各種有趣的虛擬環(huán)
境來(lái)調(diào)動(dòng)使用者的積極性，可開發(fā)相應(yīng)的程序。對(duì)于今后的設(shè)備可發(fā)展為能直接連接手機(jī)端實(shí)現(xiàn)智能化、多端口聯(lián)合監(jiān)控
致謝
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)在指導(dǎo)我的老師的教育下，同學(xué)的幫助下得以順利完成，并非我一人之功勞。在這里，我要給他們表示我最真誠(chéng)的謝意，是他們不僅讓我完成了設(shè)計(jì)，還讓我學(xué)到了許多書本上都學(xué)不到的東西，同時(shí)也給我提供了充足完備的學(xué)習(xí)條件和寶貴的交流機(jī)會(huì)，真是受益匪淺。從課題的選定到設(shè)計(jì)的順利完成，都是我的導(dǎo)師熱情指導(dǎo)和點(diǎn)撥的，是您的潛移默化讓我對(duì)設(shè)計(jì)有了全新的認(rèn)識(shí)?？梢哉f(shuō)沒有您的幫助，我的設(shè)計(jì)是沒有辦法很好完成的。您的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)對(duì)我產(chǎn)生了很大的影響，這對(duì)我是一種很好的熏陶，對(duì)我以后的學(xué)習(xí)和生活都有很大的幫助。
本論文從定題到搜集資料，再到開題、撰寫、修改、直至最終定稿，我的導(dǎo)師嚴(yán)格要求、循循善誘，注入了大量的心血，我在此由衷地感謝老師給予的耐心指導(dǎo)和無(wú)私地奉獻(xiàn)。這幾年的學(xué)習(xí)生涯中，老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、做事認(rèn)真的工作態(tài)度，孜孜教誨、無(wú)私奉獻(xiàn)的作風(fēng)以及勇于創(chuàng)新的精神令我受益匪淺。
感謝班級(jí)指導(dǎo)員，是他們給予我學(xué)習(xí)和生活中的引導(dǎo)，從而使我順利完成學(xué)業(yè)，保持一顆積極向上的心態(tài)。感學(xué)學(xué)院的書記是他們?cè)谒枷肷辖o予我指導(dǎo)，使我始終保持政治思想上的先進(jìn)性，不斷學(xué)習(xí)進(jìn)步。
感謝班級(jí)所有同學(xué)。幾年來(lái)大家一起學(xué)習(xí)生活，一起參加班級(jí)集體活動(dòng)，形成了一個(gè)團(tuán)結(jié)、友愛、互相幫助的集體，這將是我人生最難忘的一段學(xué)習(xí)經(jīng)歷。
最后，特別感謝我的家人多年來(lái)對(duì)我的支持和為此做出的巨大犧牲，是他們?cè)谖镔|(zhì)和精神上的長(zhǎng)期支持、鼓勵(lì)和無(wú)限的關(guān)愛支撐著我。四年的求學(xué)生涯，我學(xué)到了許多東西，不僅僅在學(xué)習(xí)和科研上，在其他的很多方面我都上了一個(gè)新的臺(tái)階。在論文完成之際，謹(jǐn)向所有關(guān)心、幫助、支持過(guò)我和對(duì)我有所期待的親人朋友們致以最誠(chéng)摯的謝意！
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