脑卒中偏瘫上肢康复外骨骼机器人的基础理论研究

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1、硕士学位论文脑卒中偏瘫上肢康复外骨骼机器人的基础理论研究THEFUNDAMENTALRESEARCHOFAHEMIPLEGICREHABILITATIONEXOSKELETON-ROBOTFORUPPER-LIMB梁康贵哈尔滨工业大学2016年7月国内图书分类号：TP242.6学校代码：10213国际图书分类号：621.5密级：公开工程硕士学位论文脑卒中偏瘫上肢康复外骨骼机器人的基础理论研究（全日制工程硕士）硕士研究生：梁康贵导师：韩俊伟教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年7月授予

2、学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.6Schoolcode:10213U.D.C:621.5Securityclassification:publicDissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHEFUNDAMENTALRESEARCHOFAHEMIPLEGICREHABILITATIONEXOSKELETON-ROBOTFORUPPER-LIMBCandidate:LiangKangguiSupervisor:Prof.HanJunweiAcad

3、emicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechanicalEngineeringAffiliation:SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence:July,2016Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着现在国民经济的不断发展，人们越来越多的关注自身的健康，特别是目前脑卒中后导致的上肢偏瘫问题，已成为危害

4、人类健康的首要病因，上肢偏瘫不仅对患者的生活质量造成严重的影响．同时还给患者家庭和社会带来了沉重负担，因此，对脑卒中后偏瘫患者的治疗和康复就显得尤为重要和急迫，而将康复医学与机器人技术融合是现在康复医学的新应用。本文在国内外上肢康复机器人研究现状的基础上，结合临床康复机理和人体上肢生理学设计了一款符合临床应用的上肢康复外骨骼机器人，并对其进行了运动学、动力学建模和仿真分析，并在运动学和动力学的基础上进行了机器人的轨迹跟踪控制研究。本文首先对脑卒中后的上肢偏瘫康复机理和人体上肢生理结构进行分析后，设计了符合临床应用的上肢康复

5、外骨骼机器人，并对其进行了驱动方案和传动方案分析。在此基础上采用D-H矩阵建模的方法，建立了上肢康复机器人的运动学方程，进行了正逆运动学的求解分析，并验证了理论分析的正确性。同时采用矢量积分法对上肢康复机器人的雅克比矩阵进行求解分析，得到各关节空间向机器人末端操作空间速度传递的关系，为上肢康复外骨骼机器人的实时控制及优化奠定了理论基础。论文进一步展开了对上肢康复机器人动力学的研究，通过采用拉格朗日法建立了上肢康复机器人的动力学方程，并通过Adams对其进行动力学仿真分析，为上肢康复机器人的轨迹跟踪控制提供了必要的动力学模型

6、和基于虚拟样机的被控对象。最后，为了保证康复训练时上肢康复机器人具有理想的位置控制精度，避免对患者造成二次伤害。因此，在分析了机器人运动学和动力学的基础上研究了上肢康复机器人的轨迹跟踪控制算法，分别分析了独立PD控制、PD+重力补偿控制和计算力矩法等控制算法，并通过Adams与Matlab联合仿真验证了控制算法的可行性，联合仿真结果表明各控制算法都具有跟踪误差小、响应时间快等优点，可以实现上肢康复机器人康复训练时的轨迹跟踪任务，达到很好的轨迹跟踪控制效果。关键词：偏瘫；康复机器人;运动学；动力学；轨迹跟踪；联合仿真I哈尔滨

7、工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththecontinuousdevelopmentofthenationaleconomy,peoplearemoreandmoreconcernedabouttheirownhealth,especiallyinthecurrentissueofupperlimbparalysisbecauseofstroke,hasbecometheleadingcausetohumanhealth,upperlimbparalysiscausedbyationofupperlimbreh

8、abilitationrobotresearch,designedinlinewithanewclinicalapplicationofupperlimbrehabilitationexoskeletonrobotcombinedwiththerecoverymechanismandclinicalph