六自由度外骨骼上肢康复机器人的设计和分析

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1、分类号：TH122密级：天津理工大学研究生学位论文六自由度外骨骼上肢康复机器人的设计和分析（申请硕士学位）学科专业：机械设计及理论研究方向：外骨骼上肢康复机器人系统作者姓名：张帆指导教师：郑清春教授，郭书祥教授2015年1月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreeTheDesignandAnalysisofthe6DofsExoskeletonUpperLimbRehabilitaitonRobotByFanZhangSupervisorProf.Qingch

2、unZhengProf.ShuxiangGuoJanuary2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关

3、数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要近些年来由于因中风等脑血管疾病引起的上肢偏瘫患者的增多,传统方法已经不能满足众多患者的康复需求。随着机器人技术的蓬勃发展，科学家希望将机器人技术与康复医学进行结合，用机器人代替理疗师来辅助偏瘫患者进行康复训练，因此越来越多研究机构开始致力于康复机器人的研究。外骨骼式康复机器人相当于在患者肢体外侧附加一层外置骨骼，用来支撑

4、和辅助偏瘫肢体来进行高强度的康复训练运动。本文从医学角度上分析肢体偏瘫形成的原因，在总结国内外研究现状的基础上提出一套针对偏瘫患者上肢的外骨骼式上肢康复机器人系统，并且针对不同时期的患者提出了两套康复系统，分别为双边式康复系统和独立式康复系统。系统主要组成包括六自由度触觉感受器（PhantomPremium）、外骨骼上肢康复机器人、虚拟现实系统、电机控制单元、脑电信号系统、肌电信号系统和一些相关传感器。该系统偏瘫患者提供一套从“测试-训练-评价”的科学康复策，即控制信号来源于患者本身，然后通过机器人辅助患者进行训练，再通过患者的生物信号来评价患者的康

5、复情况，再通过患者康复情况来制定下一阶段的康复训练。本研究主要针对该系统中外骨骼式上肢康复机器人的结构进行研究和设计，其主要包括上肢康复机器人和手指康复机器人两套，可以实现肢体总共六个自由度的运动。首先，从解剖学角度了解人体上肢和手指的组成，分析其骨骼特点和运动形式，总结机器人设计所需要满足的人体工学要求，为机器人结构设计奠定医学基础。然后，从人体工学特点、材料选择、驱动方式选择以及传动方式选择等几个方面对机器人进行设计和计算，提出机器人的总体设计。其次，分别建立上肢康复机器人和手指康复机器人的运动学模型，并通过动力学仿真软件ADMAS验证机器人结构

6、的合理性和稳定性。最后，利用有限元仿真软件ANSYS对在康复训练过程中机器人对于患者的肢体的力学影响进行了仿真，通过仿真结果建立了科学的康复方法，防止由于机器人的过渡运动与患者的肢体造成二次损伤，提高康复训练的安全性。在上述研究分析的基础上，我们已经分别设计和组装完成外骨骼上肢康复机器人和手指康复机器人样机各一套，并对样机和系统进行了运动功能的调试以及特性评价，初步完成了机器人的运动要求以及两种康复训练模式的要求，为以后的机器人结构优化设计和系统结构继续完善打下夯实的基础。关键词：外骨骼上肢康复机器人结构设计运动学建模力学仿真AbstractRece

7、ntly,becausethenumberofpatientswiththeupperlimbhemiplegiacausedbycerebrovasculardiseasessuchasstrokehasbeenincreasingrapidly,traditionalmethodscan'tmeettherehabilitationdemandofpatients.Withthevigorousdevelopmentofrobottechnology,scientistshopetocombinetherobottechnologywithreh

8、abilitationmedicinetousetherobottoreplacethephysicalth