上肢康复机器人的研究.pdf

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1、第５期（总第２０４期）机械工程与自动化No．５２０１７年１０月MECHANICAL_ENGINEERING_&_AUTOMATIONOct．文章编号：１６７２‐６４１３（２０１７）０５‐００４２‐０３上肢康复机器人的研究蔡国庆，程秀芳（华北理工大学机械工程学院，河北_唐山_０６３００９）摘要：以人体上肢的生理结构为依据，设计了一个５自由度的上肢康复机器人，实现肩关节内收外展、前屈后伸及内旋外旋，肘关节前屈后伸，前臂旋前旋后的运动。同时引入一个被动自由度从而保证机器人与用户关节的对齐，增加了运动范围。按照人体尺寸标准，采用Creo绘制了机械臂的三维模型，并通过ADAMS软件进行运动学仿

2、真，验证了结构的可行性。关键词：上肢康复机械人；５自由度；安全限位中图分类号：TP２４２.６___文献标识码：A0_引言患者进行康复训练，所以，其部分结构尺寸应可调节，脑卒中，俗称中风，是由血液流进大脑时中断引起如前臂长度、上臂长度，以满足不同患者肢体尺寸的差的，损害大脑细胞而且后果通常比较严重。对于偏瘫异。此外，外骨骼机器人穿戴于患者上肢，其结构应力患者，基于脑可塑性原理的运动治疗是当前应用最为求轻便，应具有既便于穿戴又质轻的特点。［１］普遍的康复治疗方法。目前，大多数的运动疗法都（４）可适应不同的康复训练。康复机器人应能实是由理疗师或者患者亲属按照理疗手册带动患肢进行现与运动模式

3、相对应的康复运动，既能实现单关节的运动训练，这使得理疗师和亲属陷入繁琐的劳动中，并运动，又可完成多关节复合运动。且患者只是被动地接受运动训练，在运动训练中不能１．２_自由度的选择给予患者合适的辅助力，无法充分发挥患者的主动作根据上肢解剖学的分析，上肢共有９个自由度，其用，这样在很大程度上减小了康复训练的效果。作为中肩关节有５个自由度，肘关节有１个自由度，腕关节新兴的研究领域，康复机器人可以代替理疗师为患者有３个自由度。提供无时间限制的康复治疗。我们还可以结合现代的肩部的３个旋转自由度的运动是肩部的主要运柔性控制技术，考虑用户与机器人的交互作用，研制一动，通过三个维度的旋转几乎可使上肢

4、实现整个半球种交互式控制策略，根据患者的康复水平提供适宜的形空间的运动，因此肩部的３个旋转自由度是必要的。康复训练，充分发挥患者的主观力量，提高康复效而肩部的２个移动自由度的运动范围非常小，不予考［２］虑。肘关节连接上臂和前臂，在设计中必不可少。考果。本文以人体上肢的生理结构为依据，设计了一个５自由度的上肢康复机器人，并通过ADAMS软件虑到结构的简便性，腕部只考虑旋前旋后自由度。进行运动学仿真，验证了结构的可行性。根据人体解剖学，将与本研究有关的人体极限运1_上肢康复机器人总体结构设计动范围和机构实现的运动范围列入表１。其中，上肢［３］１．１_上肢康复机器人结构设计要求自然下垂为各

5、个关节的中立位置。康复机器人直接作用于人体，不同于工业机器人，表１_关节运动范围关节自由度极限运动范围（°）机构实现的运动范围（°）其在结构设计上应充分考虑接触的外界环境，因此康前屈后伸－４５～１８０－４５～９０复机器人在结构设计上应满足以下要求：肩内收外展－４５～１８０－４０～９０（１）安全性。机器人直接与人体接触，不恰当的设内旋外旋－９０～６０－５０～６０计会使机械臂与用户产生干涉，引起患肢二次损伤，因肘前屈后伸０～１３５０～１３５此，安全性问题是进行康复机器人设计的首要考虑因素。腕旋前旋后－９０～９０－９０～９０（２）运动可实现性。设计的机械结构其运动范围１．３_康复机器人结构

6、设计应在正常人的活动空间之内，不允许有超越人体极限１．３．１_机械结构设计现象。而且在设计时，尽可能地使上臂实现多个自由康复机器人结构设计的关键在于肩部结构的设度的空间运动，充分锻炼患者的上肢关节。计，肩关节自由度集中，运动范围大，与患者头部较为（３）可调节性与简便性。康复机器人帮助不同的接近，且驱动装置往往安装在机械臂肩部，可用空间有收稿日期：２０１７‐０３‐０１；修订日期：２０１７‐０６‐２０作者简介：蔡国庆（１９９０‐），男，河北沧州人，在读硕士研究生，研究方向：机器人技术。_２０１７年第５期______________蔡国庆，等：上肢康复机器人的研究·４３·限，易产生干涉问题

7、。已有康复机器人肩关节串联机上肢康复机械臂的三维模型，如图４所示。构的３个自由度的旋转中心大都是固定的，而上臂在１．４_材料选择做收展运动时会引起肩部瞬时旋转中心的上下偏移，上肢康复机械臂的一个设计要求就是要在保证安从而引起二次损伤。全的前提下力求结构轻便。通过对不同牌号铝合金机本研究通过串联结构实现康复机器人５个自由度械性能和物理性能的比较，选择牌号为６０６１铝合金作的运动，为防止干涉问题，避免肩部正上方安装驱动装为外骨骼大部分部件的制造材料。置，将该部