欠驱动式外骨骼手指康复机器人的设计和仿真

本文提出一种新的基于脑电信号控制的外骨骼手指康复机器人系统,该系统主要由外骨骼手指康复机器人、脑电信号系统(EEG)、肌电信号系统(EMG)、人机交互系统、电机控制单元、相关传感器和工作站组成.患者通过外界的视觉刺激产生脑电信号,工作站经过对这些信号采集和处理后传递给电机控制单元控制,并驱动电机实现穿戴在患者手上的外骨骼手指机器人运动,辅助其完成康复训练.该机器人主要采用欠驱动的方式,由安装在手背处的电机带动同步齿形带传动机构实现机器的三个关节的弯曲和伸展运动.文章主要利用UG软件对手指机器人进行设计和ADAMS软件进行运动仿真.根据机器人运动轨迹和机器人末端的运动参数曲线可以看出该手指机器人具有运动平稳,不存在运动死点等特点,且机器人能满足人体手指的运动要求,符合人体工学的设计特点,仿真实验证明能够辅助患者进行重复性康复训练.     

一种单电机驱动外骨骼康复机械手的 机构设计与运动分析

根据人手生物学结构,文章设计并制作了一种可用于手指康复训练的外骨骼机械手。该康复机械手由单一电机驱动,可同时训练5个手指,每个手指训练机构具有2个自由度,分别完成弯曲/伸展和内收/外展运动。文章详细介绍了康复机械手的结构及功能,采用封闭矢量方程建立了康复机械手训练机构的运动学模型,并分析了康复机械手的运动空间;利用ADAMS软件仿真了康复机械手各个关节点、指尖点的运动轨迹和3个关节所受到的力与力矩。制作的样机近端指间关节和远端指间关节弯曲角度关系曲线与正常成年男性食指的对应关系曲线相比较,可决系数R~2=0.913 4,验证了该康复机械手设计方案的可行性和功能性。     

一种7自由度外骨骼上肢康复机器人设计与控制研究

针对外骨骼上肢康复机器人自由度受限的问题,根据上肢关节运动机理对上肢结构进行模型简化,提出一种改进的7自由度外骨骼上肢康复机器人结构设计,并对运动支撑的各部分单元进行结构建模和分析,根据安全人机工程学进行了康复运动系统的电气设计与控制研究.研究结果表明,该7自由度外骨骼上肢康复机器人在结构设计上更加符合人因工学,控制机制优化,安全性能良好,为实现后期的实时控制与运动规划奠定了基础.     

多段连续结构手功能康复外骨骼运动规划与结构优化

针对现有康复机器人手指运动轨迹仿生度低、轨迹规划策略与正常人手指运动轨迹差异较大的问题,提出了基于Tau-jerk引导策略的手指运动轨迹规划方法。首先建立外骨骼机器人的运动学模型,并用ABAQUS进行运动学仿真,引入修正系数调整运动学模型;然后以jerk值为耦合对象,推导出内部Tau-jerk引导策略,引入最小做功和最小面积确定最优轨迹和最优多段连续结构;最后比较了Tau-jerk规划的运动轨迹与多项式插值方法规划的轨迹同真实人手运动轨迹的偏差。实验结果表明:采用Tau-jerk轨迹规划的外骨骼运动平均关节角度误差小于1.5°,且平均指尖轨迹误差小于1 mm;与3次多项式插值和3、4、5次多项式插值运动规划相比,Tau-jerk轨迹规划方法更符合人手指运动轨迹。     

一种穿戴式康复外骨骼机械手的设计和分析

基于大脑可塑性理论和连续被动康复训练运动(continuous passive motion,CPM)疗法在手部康复的运用,文章设计了一种外骨骼机械手.该机械手各手指设置一个自由度,利用双平行四边形投影机构和关节对中结构相结合的方式带动患指;为适应康复时的手部姿态,设计腕关节弯曲机构和桡尺关节翻转机构;对手指训练机构进...     

4自由度上肢康复外骨骼机器人设计与分析

针对现如今上肢康复外骨骼机器人外部结构以及运动问题，利用Solidworks设计出一种4自由度可穿戴上肢康复机器人，基于人体上肢生物力学结构，使其关节和链接与人体的关节和链接相互对应，根据此基础设计出人体上肢运动学模型，使用D-H法分析了外骨骼机构的运动学关系，得到坐标转换矩阵，通过Matlab机器人工具箱进行运动学分析以及工作空间仿真模拟，进一步验证了运动学分析的可性。     

欠驱动式手指康复训练装置的结构优化设计

为了使欠驱动式手指康复训练装置可提供的手指关节活动范围满足训练需求,以某一连杆机构为例,通过分析运动学模型空间状态进行结构优化。首先建立机械机构与手指的简化空间模型,以关键构件及手指关节的旋转角度作为空间向量元素,求得某一机械尺寸及手指长度下所有可能的空间向量,形成空间状态集;然后通过考察空间状态集选择最佳机构尺寸,使得手指关节活动范围满足训练需求。仿真及样机佩戴测试结果表明,经过优化设计后的连杆式机构能够辅助手指在所需的关节活动范围内进行屈曲伸展运动,对手指长度变化的适应能力较强。所提结构优化方法对于欠驱动式肢体康复训练装置的结构优化设计具有一定的参考价值。     

基于安全性考虑的五自由度外骨骼式上肢康复机器人自适应控制

针对一类具有特殊安全性要求的五自由度外骨骼上肢康复机器人,研究了一种自适应控制策略。该机器人协助患者的肩、肘、腕关节进行关节运动,以达到上肢运动功能康复的目的,因此,在整个康复训练中如何保证患者安全是机器人控制策略的重点。为确保良好的跟踪性能,所提出的控制策略具有在模型不确定条件下的鲁棒性;为进一步提高系统在大参数变化以及执行器故障时的安全性能,提出了一种在线更新的自适应控制器。该控制器仅需要进行位置测量实现输出信息反馈,而速度和加速度通过观测器估计得到,不需要依靠其他传感器信息。设计了一个参数可调和有界误差的轨迹跟踪实验,仿真结果验证了本控制方案的有效性。     

一种混合驱动的上肢康复外骨骼机器人设计

针对现有上肢康复外骨骼机器人的驱动问题,设计一种混合驱动的上肢康复外骨骼机器人,肩关节由电机直接与关节相连驱动,肘关节与腕关节由电机与绳索配合驱动。按照人体上肢解剖学结构设计出外骨骼机器人的本体结构和基本属性,分析肘关节运动原理,进行绳驱动关节张力分析,运用D-H法建立机器人的运动学模型,分析正运动学,通过ADAMS软件对机器人进行动力学仿真,运用CUBSPL函数作为驱动得出各关节的力矩变化,为后面各个关节电机的选型提供依据。     

基于连杆机构的手指外骨骼设计

手指在人类生活中发挥着重要作用,它们的健康直接影响着人们的生活质量。如果由于疾病或者意外导致单个或多个手指功能性损伤,就需要对手指进行康复训练。为了降低康复师的工作强度,提高康复效率,利用外骨骼进行康复训练是很好的选择。本文结合人体工程学相关知识,根据手指弯曲与伸直时的运动特性和规律,基于连杆机构设计了一款面向手指康复的外骨骼机构。该机构具有三个自由度,各关节之间的距离可以根据不同手指的长短进行调节,具有广泛的适用性,不会对手指造成二次损伤。采用3D打印技术制作该外骨骼,总体质量小,制作成本低,符合绿色制造的理念。最后,通过穿戴实验验证了所设计的手指外骨骼能够满足康复训练的需求,并且适用于不同的手指。     

基于力反馈的上肢康复机器人

针对脑中风引起的偏瘫患者,提出了一种新的基于虚拟现实技术上的上肢康复机器人系统。该系统主要由上肢外骨骼装置,触觉装置,电机控制器和工作站组成。患者穿戴上肢外骨骼机构,安装在患者患侧,通过电机带动外骨骼运动从而使患者患侧运动。在外骨骼运动过程中,通过力反馈机构将患者受力或施力反馈到三维触觉操作器,进而反馈给对其辅助治疗的医生。     

上肢康复机器人研究及发展

为了对当前上肢康复机器人关键技术分析及未来发展方向预测,通过对世界范围内外骨骼式及末端牵引式上肢康复机器人研究现状分别进行介绍分析,从整体构型、控制系统及人机交互三方面总结各典型上肢康复机器人的关键技术,进而总结出未来上肢康复机器人从低自由度向高自由度、传统材料向新型轻质材料、刚性关节向柔性关节、传统控制向人工智能的发展趋势.研究结果可为上肢康复机器人的发展方向提供参考,促进上肢康复机器人的未来发展.     

上肢外骨骼机器人结构设计与运动学分析

上肢外骨骼机器人是近些年新兴的研究领域,国内在这方面的研究尚属于起步阶段,而上肢外骨骼机器人中能够有效满足上肢运动辅助需求的机器人较少,且对安全性考虑较少。针对此现状,深入探讨了运动辅助对于上肢运动功能恢复的理论依据,并依此总结设计了满足该功能的上肢外骨骼机器人的要求,然后依据该要求,以安全性为基本出发点,初步设计了一种外骨骼上肢康复机器人。针对设计出的上肢外骨骼机器人机构,采用四参数法对其进行运动分析,求出了该机器人的正、逆解,并运用拉格朗日方程法对其进行动力学分析,建立其动力学方程,为之后的控制算法研究做好准备。     

穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计

本文设计了一种用于下肢功能障碍患者康复治疗的外骨骼机器人。根据外骨骼机器人的功能与工作原理,分析了其结构组成与设计过程中的关键问题。并从仿生学角度为外骨骼机器人配置自由度,设定关节活动范围及连杆尺寸,对机械结构进行了初步分析与优化设计。为进一步的研究、分析、设计工作打下了基础。     

一种基于3-RSS/S并联机构的踝关节康复机器人

提出了一种用于踩关节康复的康复训练机器人，该机器人采用3-RSS／S并联机构，具有3个转动自由度，可以帮助患者进行多种复合运动的康复训练；本文对基于3-RSS／S并联机构的踩关节康复机器人的自由度，工作空间和运动进行了分析，并且给出了工作空间范围和运动曲线。     

穿戴式外骨骼康复辅具临床应用现状分析

 穿戴式外骨骼康复辅具是一种可穿戴于人体上的智能化生机电控制系统,该系统通过外骨骼与人体肢体间力-位移的交互实现人机动作的耦合,可辅助人体实现某些特定功能,在临床康复治疗领域具有重要应用前景。上肢外骨骼和下肢外骨骼是目前常见的穿戴式外骨骼。上肢外骨骼包括肩肘手臂外骨骼和手指外骨骼,在康复训练中主要应用于中风后患者肩肘关节及腕手关节运动功能的康复训练。下肢外骨骼能够辅助下肢麻痹患者完成站立及运动,在下肢运动功能的康复治疗方面具有巨大的应用潜力。本文综述了目前常见的穿戴式外骨骼康复辅具的特点及其临床应用现状,并总结了目前国内外可穿戴外骨骼的研究进展。     

气动肌肉驱动的上肢康复机器人动力学仿真

针对目前外骨骼机器人本体结构复杂,人机交互安全性不高的问题,结合驱动系统中气动人工肌肉的轻质、大驱动力、高柔顺性和接近人体肌肉的特性,提出一种基于气动肌肉的外骨骼上肢康复机器人。采用蒙特卡罗方法获得机器人的安全工作空间,并基于拉格朗日方程对外骨骼上肢康复机器人进行动力学建模,通过MATLAB软件对上肢康复机器人动力学特性仿真。     

外骨骼机器人柔性变刚度驱动器设计

关节驱动器是外骨骼机器人的核心组成部分,目前传统的刚性驱动器的缺点是：体积大、能耗多以及无法避免外界冲击。为此该文提出一种全新的柔性变刚度驱动器,其基于弹簧的刚度控制,并对此柔性机构进行了理论验证,结果表明全新的柔性变刚度驱动器很好地解决了传统刚性驱动器的主要缺点。     

基于模糊PI控制的穿戴式上肢康复机器人

为了加速患有运动功能障碍的患者上肢伸展功能的康复,研制出基于模糊PI控制的穿戴式上肢康复机器人.该上肢机器人借助结合眼动跟踪仪的虚拟现实平台通过气动肌肉驱动实现上肢的康复训练,采用模糊PI控制器对机器人实施位置控制.实验通过受试者穿戴该上肢机器人完成各关节的轨迹跟踪来检测模糊PI控制的效果.实验结果证明:模糊PI控制响应速度较快,轨迹跟踪误差较小,实用性较好.     

外骨骼式上肢康复机器人的轨迹规划及仿真

针对四自由度外骨骼式上肢康复机器人的运动需求,基于D-H参数法对其进行正/逆向运动学求解,并根据机器人微分运动学,建立表达关节空间的角速度与末端手在笛卡尔空间的线速度之间速度关系对应的雅可比矩阵,实现了末端手在笛卡尔空间的轨迹规划与运动描述,并通过MATLAB仿真验证了该机械臂运动关系的正确性。