上肢康复机器人线管钢丝绳传动性能与运动控制研究

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1、学校代码：10255学号：上肢康复机器人线管钢丝绳传动性能与运动控制研究UPPERLIMBREHABILITATIONROBOTTENDON-SHEATHTRANSMISSIONCHARACTERISTICSANDMOTIONCONTROLRESEARCH专业：机械设计及理论指导教师：作者姓名：答辩时间：上肢康复机器人线管钢丝绳传动性能与运动控制研究摘要上肢康复机器人执行机构设计要求简洁轻巧，具有一定的灵活性，同时要根据康复运动特性（低速、变载、带缓冲等）选择合适的传动系统和驱动装置。一般工业机器人或应用于

2、特殊环境的上肢康复机器人关节普遍采用电机、齿轮减速器、关节轴直接连接的传动机构。这种机构要求电机与齿轮减速器安装在上肢康复机器人关节附近，造成整体重量、体积、造价和内部消耗的增加，降低了上肢康复机器人对外做功的能力和效率。按照“最轻自重最大负载能力”原则，对上肢康复机器人机械结构做出的各种改进研究中，最具有突出效果的是线管钢丝绳传动。尤其是线管钢丝绳传动用于外骨骼穿戴式上肢康复机器人，其传动系统的性能研究具有重要的理论与实用价值。论文通过对国内外钢丝绳传动技术的研究成果进行分析总结，并基于本组所设计出的一套

3、适于上肢康复机器人传动的柔性传动系统-即线管钢丝绳传动系统。对其传动性能进行了较深入研究。通过建立线管钢丝绳传动静态模型，研究分析套管与钢丝绳间相互作用关系，发现线管钢丝绳的传动特性与套管钢丝绳间的摩擦系数、线管钢丝绳的传动空间位姿等密切相关，并具有一定非线性。通过有限元法对管线传动空间位姿进行分析，主要包括套管的材料和结构、节点的位置约束（如节点的间距约束、自由度数约束、方位约束）等方面，并对套管位姿曲线圆弧段对应圆心角之和进行了求解。依据套管空间位姿分析，针对上肢康复机器人各关节运动空间求解，初步确定各

4、活动套管管长，并对各段套管活动段空间位姿进行分析，最终确定了适于本上肢康复机器人的布线方式。对套管、钢丝绳的正确选择和使用、材料选择、安装及维护，钢丝绳端部固定方式的选取等做了较为全面的分析，并初步选出了满足上肢康复机器人用的套管和钢丝绳。依据套管适用条件对套管最小曲率半径进行了总结，为线管钢丝绳传动系统的结构参数设计提供了依据。本文还设计了测量线管钢丝绳传动特性的实验平台，实验测定出线管钢丝绳传动的摩擦系数，套管各单元曲率半径对其传动特性影响和仿真方法求取各单元圆弧段对应圆心角之和具有可行性，对线管钢丝绳

5、空间位姿进行了定量分析。最后对上肢康复机器人的运动控制方面进行了一定实验。实验结果表明，通过线管钢丝绳传动系统，该机器人能够实现不同的训练模式。如何将线管钢丝绳空间位姿转化成随时间变化的函数可能为解决上肢康复机器人用线管钢丝绳传动的非线性补偿运动控制提供了一定方向。关键词：线管钢丝绳传动，上肢康复机器人，空间位姿，传动特性，康复训练UPPERLIMBREHABILITATIONROBOTTENDON-SHEATHTRANSMISSIONCHARACTERISTICSANDMOTIONCONTROLRESEA

6、RCHABSTRACTRehabilitationrobotactuatordesignisconciseandlighterwithacertainflexibility.Atthesametime,accordingtotherehabilitationmovementcharacteristics(lowspeedandvariableload,buffer,etc.),theappropriatedrivesystemanddriveareselected.However,thearmjointap

7、pliedtoindustrialrobotsorspecialenvironmentofmechanicalarmiswidelyusedwithmotor,gearreducer,orconnectedwiththetransmissionsystemofthejointshaftdirectly.Theagencyaboveneedmotorandgearreducerinstallednearthemechanicalarmjoint,whichincreasesthedemandforpowera

8、nddrivecomponents,overallsweightandvolume,costandtheincreaseoftheinternalconsumption,reducesthemechanicalarmisothermalabilityandefficiency.Inaccordancewiththeprincipleof"thelightestweight,themaximumloadcapaci