康复用外骨骼机器人的运动学研究

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1、分类号：TP24密级：UDC：621学校代码：11065硕士学位论文康复用外骨骼机器人的运动学研究国许东指导教师王钰副教授学科专业名称机械工程论文答辩日期2016年6月1日摘要近年来，我国人口老龄化日益严重，老龄化过程中明显的生理衰退就是老年人四肢灵活性的降低，进而对日常的生活产生种种不利的影响。此外，由中风等疾病而引起的运动障碍的病人也在显著增加，与之相对的是，通过人工或简单的医疗设备进行的康复理疗，已经远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到更多人的关注，治疗、康复和服务于他们的产品技术和质量也在相应地提高。因此，服

2、务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景。本文首先对课题组所设计的外骨骼康复机器人的结构及参数进行简介，基于课题组所设计机器人的结构及参数，利用D-H参数法建立机器人的运动学模型，对其进行了正、逆向运动学求解，并对机器人的逆运动学算法进行了验证和分析，得出了对运动学算法求解的正确性。基于Roboticstoolbox对机器人的工作空间进行了仿真求解及分析，为机器人的运动轨迹规划提供理论参考。其次，分析研究机器人微分运动学，建立表达关节空间角速度与末端手在笛卡尔空间的线速度对应关系的雅克比矩阵。基于康复机器人运动学所建立的变换矩阵，采

3、用矢量积法求解康复机器人相对于基座坐标系的雅可比矩阵，并对逆雅可比矩阵进行了求解计算。基于所求解的雅可比矩阵推导得到了康复机器人末端执行器的线速度及角速度。再次，基于MATLAB中的roboticstoolbox对康复机器人进行了关节空间的轨迹规划，得到了各关节的运动参数。根据康复机器人的应用特点，为符合人体上肢功能性康复的特点，基于插值算法建立了空间直线及空间圆弧运动康复轨迹，通过仿真计算得到对应的关节空间的运动参数，为机器人的运动控制提供了理论基础。选取瑞士Hocoma的六自由度外骨骼康复机器人，选择与6-DOF康复机器人相同的空间直线

4、和圆弧轨迹进行仿真计算，通过进行分析对比验证了所设计的康复机器人自由度选取的合理性。最后，基于SimMechanics建立康复机器人的仿真模型，进行力矩仿真，并对仿真结果进行了分析研究，为机器人的运动控制提供理论参考。关键词：外骨骼康复机器人；运动学分析；轨迹规划；MATLAB仿真；力矩分析AbstractInrecentyears，thepopulationaginginourcountryisincreasinglyserious,theobviousphysiologicaldeclineduringtheagingprocessis

5、lowerlimbsflexibilityintheelderly，andavarietyofadverseininfluenceindailylife.Inaddition，themovementdisordersofpatientsthatcausedbyadiseasesuchasstrokearealsoincreasedsignificantly，incontrast，therehabilitationtherapythroughthemanualorsimplemedicalequipment，hasbeenfarfrombei

6、ngabletomeetthepatient'srequirement.Withthedevelopmentofnationaleconomy，thisspecialgrouphasreceivedmoreandmoreattention.Thetechnologyandqualityoftheseproductsarealsoimprovedaccordinglythattreatment，rehabilitationandserviceforthem.Therefore,theresearchandapplicationofrehabi

7、litationequipmentthatservicesforlimbshasbroaddevelopmentprospects.Firstly，thestructureandparametersoftheexoskeletonrehabilitationrobotthatdesignedbytheresearchgroupwereintroducedinthispaper.Basedonthestructureandparametersoftherobot，usingtheD-Hparametermethodtoestablishthe

8、kinematicmodeloftherobot，andthenthepositiveandinversekinematicssolutionwerecarriedout.The