一种新型手部康复机器人的设计与研究
上肢康复机器人的设计与控制研究
上肢康复机器人的设计与控制研究近年来，随着人口老龄化的加剧和慢性疾病的增多，康复机器人被广泛应用于康复领域。
上肢康复机器人作为康复机器人中的重要组成部分，在帮助患者恢复上肢功能方面具有重要意义。
本文旨在探讨，以期为康复领域的发展提供新的思路和方法。
首先，上肢康复机器人的设计是关键的。
在设计过程中，需要考虑患者的具体情况和康复需求，以确保机器人能够满足患者的康复训练需求。
针对不同类型的上肢运动障碍，可以设计不同类型的康复机器人，例如适用于握拿功能恢复的机器人、适用于肩关节功能恢复的机器人等。
此外，还需要考虑机器人的舒适性和用户友好性，以提升患者的康复体验。
其次，上肢康复机器人的控制是实现有效康复训练的关键。
控制系统的设计需要考虑到患者的运动特点和康复目标，确保机器人能够提供个性化的康复训练。
传感器技术在控制系统中起着重要作用，可以实时监测患者的运动状态，并根据监测结果调整机器人的运动模式。
此外，虚拟现实和增强现实技术的应用也可以提高康复训练的效果，增加患者的参与度和兴趣。
最后，需要强调的是上肢康复机器人的设计与控制研究还处于初级阶段，尚有许多挑战和机遇。
例如，如何实现机器人与患者之间的良好互动，如何提高机器人的精准度和灵活性，如何实现机器人与其他康复设备的协同工作等问题都需要进一步研究和探索。
未来，可以通过整合人工智能、机器学习等先进技术，不断优化上肢康复机器人的设计与控制，提升康复训练的效果和效率。
梳理一下本文的重点，我们可以发现，上肢康复机器人的设计与控制研究具有重要意义，对提高康复训练的质量和效果具有重要意义。
通过不断深入研究和探索，相信上肢康复机器人将在未来发挥更加重要的作用，为康复领域的发展带来新的希望和机遇。
希望本文的探讨能够为相关领域的研究者和从业者提供参考和启示，推动上肢康复机器人的研究与实践取得更大的成就。
肢体康复机器人的设计与控制
肢体康复机器人的设计与控制
一、背景
随着人工智能技术的发展，机器人的使用越来越普遍，其功能也越来
越强大，不仅局限于工业领域，也越来越深入到其他领域，如医疗、教育、娱乐等领域。
因此，设计和控制一种机器人，使其能够帮助身体残疾的人
员进行肢体康复，已成为重要研究课题。
二、设计原理
肢体康复机器人首先要解决的问题是如何驱动、控制机器人的运动，
主要有两种方式：一种是使用气动活塞，另一种是电机控制。
除了新的设
计之外，还可以使用已有的运动控制单元，如Arduino， Raspberry Pi，以及其他相关模块。
此外，为了实现有效的控制，还需要实现必要的感知和通信功能。
本
文探讨的方案使用机器视觉，其基本原理是使用相机获取图像，利用图像
处理和机器学习算法，模拟人类眼睛的效果，从而实现对机器人运动的实
时跟踪和控制。
此外，通信方面，目前研究的方案主要基于蓝牙技术，可实现机器人
与人的实时交互，从而实现肢体康复机器人的有效控制。
三、设备架构
设备架构包括机器人本体部分、气动活塞控制部分和电路控制部分。
机器人本体部分，包括机器人的外壳，机器人的各个部件，以及与机
器人设备相关的支撑结构。
智能康复机器人的研究与开发
智能康复机器人的研究与开发一、引言随着人们对康复治疗的需求越来越大，智能康复机器人也因其高效性和准确性而得到了广泛的应用和推广。
智能康复机器人是一种利用现代计算机技术进行人工智能控制，帮助患者做康复运动或进行康复治疗的机器人。
本文将从技术原理、研究现状、优缺点和未来发展四个方面阐述智能康复机器人的相关研究和开发。
二、技术原理智能康复机器人主要通过多种传感器和运动控制机构实现对患者肌力、姿势等运动信息的实时感知，从而控制机器人按照患者康复的需求来运动。
其主要是通过计算机模拟人体肢体运动和康复过程，以达到更高效精准的康复治疗效果。
传感器主要用于收集康复信息，而运动控制机构则是负责对康复机器人的控制。
智能康复机器人的核心技术主要包括运动测量和康复治疗机器人学。
三、研究现状智能康复机器人的研究起步较早，主要集中在美国、欧洲和日本等发达国家。
研究表明，智能康复机器人的最大优势在于其高度可控和精准性，通过多模态的机器学习和深度学习，可以更好地实现患者个性化康复治疗。
国内的智能康复机器人研究步入了黄金时期，不少企业和高校陆续研发出了不同类型的康复机器人。
四、优缺点智能康复机器人的优点有：一、精度高，能够帮助康复患者达到更好的治疗效果；二、可控性高，有利于医护人员进行科学的治疗方案设计和评估；三、操作简单方便，适用范围广泛。
但是，智能康复机器人的成本相对较高，且其技术限制的作用也并不可忽视。
五、未来发展智能康复机器人的未来发展主要有两个趋势：一是利用更先进的技术手段，如机器学习、深度学习等，通过便捷的操作界面和资源优化，进一步降低康复机器人的使用门槛和成本；二是进一步提高智能康复机器人的智能化水平，实现全方位精准康复信息收集和治疗方案设计，为广大康复患者提供更全面的康复服务。
六、结论智能康复机器人在提高康复治疗效果和减轻医护人员工作负担方面都具有一定的优势。
随着技术的不断发展和进步，智能康复机器人将逐渐成为康复治疗领域的重要一员。
一种新型手部康复机器人的设计与分析
一种新型手部康复机器人的设计与分析刘更谦1，安宁1，路光达2，陈贵亮1（1.河北工业大学机械工程学院，天津300130；2.天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津300222）来稿日期：2017-12-10基金项目：天津市高等学校科技发展基金计划项目（20140714）作者简介：刘更谦，（1965-），男，河北人，博士研究生，教授，主要研究方向：机器人技术及应用；安宁，（1989-），男，河北人，硕士研究生，主要研究方向：机器人技术及应用1引言人的手不仅可以完成很多粗大运动而且可以完成很多精细的运动，这些运动在人类日常生产生活中发挥着不可替代的作用。
神经性的损伤会大大削弱手的主要功能，从而严重影响患者的日常生活质量[1]。
其中，脑卒中是造成的手部神经损伤是最主要的原因。
调查显示：脑卒中后约有（55~75）%的患者会遗留肢体功能障碍，而手部功能障碍占到其中的八成以上，这其中只有30%的患者能实现手功能的完全恢复[2]。
神经康复领域的研究成果表明，中枢神经系统具有高度的可塑性，在神经康复过程中，特定的功能训练是必不可少的，这为康复机器人的研究提供了重要的理论依据[3]。
现有的康复理疗主要是通过康复理疗师对患者进行一对一的人工辅助康复，这种康复方法不仅费时、费力、价格昂贵，而且不适宜在病患家中进行康复。
机器人辅助康复的方法可以克服以上缺陷，因此手部康复机器人应运而生。
近几年随着机器人信息技术的发展，虽然手部康复及机器人技术有了长足的进步，但不可否认还存在着很多有待解决的问题：部分设备采用欠驱动方式，无法实现对手指各关节的独立驱动[4]；文献[5]采用平行四边形连杆机构对食指各个关节进行独立驱动，大大降低了控制的难度，但是由于掌指关节两侧生物结构的特殊性，外骨骼的旋转中心无法跟中指以及无名指掌指关节旋转轴线重合，使得该机构无法应用于上述两指的康复。
只在指尖放置了测量接触力的传感器，无法实现对作用在手指关节上力矩的精确测量；文献[6]提出了一种柔索驱动外骨骼式机器人，可以将驱动部件放置在远端，减轻了作用在手指上的重量，但是外骨骼采摘要：针对意外伤害及脑卒中等造成的手部运动功能障碍问题，设计了一种新型手部康复机器人。
《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》
《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》一、引言随着人口老龄化的加剧和人们生活方式的改变，手腕康复问题日益突出。
手腕康复机器人作为一种新型的康复辅助设备，其研制对于提高患者康复效果、减轻医护人员负担具有重要意义。
本文旨在介绍一种基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人的研制过程，以期为相关研究提供参考。
二、共轴球面并联机构的设计共轴球面并联机构是一种新型的机器人运动机构，具有结构紧凑、运动灵活、控制精度高等优点。
在手腕康复机器人的研制中，我们采用了共轴球面并联机构作为主要运动机构。
设计过程中，我们首先对共轴球面并联机构进行了理论分析，确定了机构的基本参数和运动特性。
然后，根据手腕康复的需求，设计了适合的机构结构，包括驱动装置、传动装置、支撑装置等。
最后，通过仿真实验验证了机构设计的可行性和可靠性。
三、手腕康复机器人的研制在共轴球面并联机构的基础上，我们研制了手腕康复机器人。
机器人主要包括机械系统、控制系统和交互系统三部分。
机械系统是机器人的基础，我们采用了轻质材料和优化设计，使得机器人具有轻便、稳定的特点。
同时，我们根据患者手腕的生理特点，设计了适合的机械结构，以保证机器人的运动范围和精度。
控制系统是机器人的核心，我们采用了先进的控制算法和硬件设备，实现了对机器人运动的精确控制。
同时，我们通过人机交互界面，使得患者可以方便地操作机器人，进行康复训练。
交互系统是机器人与患者之间的桥梁，我们通过传感器和算法，实时监测患者的生理信息和运动状态，为医生提供准确的康复评估和治疗建议。
四、实验与结果分析我们对手腕康复机器人进行了多项实验，包括静态实验、动态实验和临床实验。
实验结果表明，机器人具有较高的运动精度和稳定性，能够满足患者的康复需求。
同时，机器人的人机交互界面简单易用，患者可以方便地进行操作。
在临床实验中，患者对机器人的治疗效果表示满意，医生也认为机器人为康复治疗提供了有力的支持。
五、结论与展望本文介绍了一种基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人的研制过程。
面向手功能康复训练的软体机器人设计
第３３卷第８期中国机械工程V o l ．３３㊀N o ．８２０２２年４月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．８８３Ｇ８８９面向手功能康复训练的软体机器人设计丛㊀明１㊀毕㊀聪１㊀王明昊１㊀刘㊀冬１㊀杜㊀宇２１．大连理工大学机械工程学院,大连,１１６０２４２．大连大华中天科技有限公司,大连,１１６０２３摘要:为解决现阶段软体机器人与人手贴合较差㊁自由度不够㊁驱动力小等问题,设计了一种带有双向弯曲模块和伸长模块㊁可实现多个自由度独立或耦合运动的软体机器人.利用有限元仿真分析方法建立了软体驱动器模型,融合多种柔性材料,保证驱动器可以提供足够大的驱动力.利用传感器实现了对弯曲特性的跟踪.实验验证表明:该软体机器人可以完成抓握训练㊁手势训练等,满足患者不同康复阶段的训练要求,指尖力可达到５．１N ,可对患者日常的手部康复训练运动起到辅助作用.关键词:软体机器人;康复训练;柔性材料;气动网络;有限元方法中图分类号:T H １２２D O I :１０．３９６９/j．i s s n ．１００４ １３２X．２０２２．０８．００１开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):D e s i g no f S o f tR o b o t s f o rH a n dF u n c t i o nR e h a b i l i t a t i o nT r a i n i n gC O N G M i n g １㊀B IC o n g １㊀WA N G M i n g h a o １㊀L I UD o n g １㊀D U Yu ２１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,D a l i a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,D a l i a n ,L i a o n i n g,１１６０２４２．D a l i a nD a h u a z h o n g t i a nT e c h n o l o g y C o ．,L t d ．,D a l i a n ,L i a o n i n g,１１６０２３A b s t r a c t :I no r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m s s u c h a s p o o r f i t b e t w e e n s o f t r o b o t a n dh u m a nh a n d ,i n Ｇs u f f i c i e n tD O F a n d l o wd r i v i n g f o r c e ,a k i n d o f s o f t r o b o tw i t hb i Ｇd i r e c t i o n a l b e n d i n g mo d u l e a n d e l o n Ｇg a t i o nm o d u l ew a sd e s i g n e d ,w h i c h m i g h t r e a l i z e i n d e p e n d e n to rc o u p l e d m o t i o n so fm u l t i pl eD O F ．U s i n g F E Ma n a l y s i s ,a s o f t d r i v e rm o d e l w a s e s t a b l i s h e d a n d a v a r i e t y of f l e x i b l em a t e r i a l sw e r e f u s e d t o e n s u r e t h a t m igh t p r o vi d es u f f i c i e n td r i v i n g f o r c e s ．T h es e n s o r sw e r eu s e dt ot r a c kt h eb e n d i n g c h a r a c t e r i s t i c s ．E x p e r i m e n t a l r e s u l t s v e r i f y t h a t t h e s o f t r o b o t sm a y c o m p l e t e g r i p t r a i n i n g an d g e s t u r e t r a i n i n g ,e t c ．,a n d m e e t t h e t r a i n i n g r e q u i r e m e n t so f p a t i e n t sa td i f f e r e n t r e h a b i l i t a t i o ns t a ge s ．T h ef i ng e r t i p f o r c em a y r e a ch ５．１N ,a n di tm a y p l a y a n a u x i l i a r y r o l e i n t h e d a i l y h a n d r e h a b i l i t a t i o n t r a i n Ｇi n g of p a t i e n t s ．K e y wo r d s :s o f t r o b o t ;r e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n g ;f l e x i b l em a t e r i a l ;p n e u m a t i cn e t w o r k ;f i n i t ee l e Ｇm e n tm e t h o d (F E M )收稿日期:２０２１０１１１基金项目:国家自然科学基金(６１８７３０４５);大连市科技创新基金(２０１９J １２G X ０４３)０㊀引言由脑卒中引起的手部运动功能丧失严重影响一个人的正常生活,并降低其生活质量[１].对于这类患者,需要手部康复机器人做日常生活辅助,以及针对患者不同阶段手部僵硬程度进行相应的整体抓握或单个手指分离运动的被动康复训练[２].早期研究人员提出了穿戴在手掌掌背侧的外骨骼式[３Ｇ５]以及穿戴在手掌掌心侧的内骨骼式[６]两类刚性手部康复机器人,但刚性机器人柔性不足㊁与手指贴合性较差,容易造成人手的二次伤害且不易携带.近年来,随着软体机器人和软材料科学等领域的快速发展,手功能康复训练机器人逐渐从刚性结构转变为柔性结构.软体康复训练机器人常由硅橡胶[１,７Ｇ１０]㊁电介质弹性体(d i e l e c t r i ce l a s t o Ｇm e r ,D E )[１１]㊁电活性聚合物(e l e c t r o a c t i v e p o l y Ｇm e r ,E A P )[１２]㊁形状记忆合金(s h a p em e m o r y a l Ｇl o y,S MA )[１３]等柔性材料制成,集成到手套中实现可穿戴和便携性.硅橡胶执行器因制备简单㊁成本低而被广泛采用.硅橡胶制成的软体手功能康复机器人常采用气动网络型[１,１０]和纤维增强型[７Ｇ９]两类结构.气动网络结构最早用于康复手套,由哈佛大学P O L Y G E R I N O S 等[１]提出,利用充气时上下层结构的不同伸长率产生弯曲来驱动手指运动,但执行器整体只能产生曲率一致的弯曲.随后,P O L Y G E R I N O S 等[７Ｇ８]又提出了纤维增强结构,并利用纤维增强原理设计了软体康复手套,解决了整体式弯曲结构与人手贴合性不好的问题.以３８８ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.气动网络和纤维增强两种结构为原型,软体康复手套又被设计为仿鱼骨结构[９]和分段式结构[１０]等,实现了更高的灵活性.国内外文献中所提到的大多数软体机器人[１,７,９Ｇ１３]只能驱动手指做简单的屈伸运动,实现握拳或抓取的运动.生活中常有如捏取等动作,这类动作只需要两根或三根手指的协作即可完成,并且人手各个关节弯曲角度不同,现有的驱动器[１Ｇ１０]没有很好地区分不同关节的弯曲角度差异,大多设计为整体弯曲式的结构,导致与人手贴合性较差.手指掌关节不仅可以正向弯曲也可以反向实现小角度的运动,具有正向弯曲和反向主动伸缩的自由度[１４],文献中常缺少对反向自由度的研究与描述.本文结合分段式结构的优点设计一种带有双向弯曲模块和伸长模块的可穿戴的手部软体康复机器人.分模块对各个关节和指节进行设计,该软体机器人掌关节可以实现正反方向不同角度的弯曲,手指的各关节可以独立或耦合运动,对手指多个自由度进行训练,指节的伸长模块可以在手弯曲时伸长１３．２％,能在手指弯曲时对关节部分结构的弯折作一定的长度补充,保证人手弯曲时执行器与手指生物关节更好地对齐,较好地模拟人手的运动特性,提高手部康复训练效果.通过结构上的改进及提供气压的增大,驱动力较文献[１５Ｇ１６]中提到的４N有了进一步的提高.１㊀功能分析及原理设计１．１㊀功能分析本设计的目标是为处于不同阶段的脑中风患者提供被动训练,通过重复的运动训练,逐渐恢复手指的运动功能,另一目标是做日常生活的辅助.设计软体驱动器结构,并集成到可穿戴软体机器人上,以手套的形式固定在每根手指上.气体作为驱动源,通过对驱动器加压提供辅助力量,使患者手指完成规定的运动[１].为此本文开发一种能够帮助脑中风患者完成手部康复训练的可穿戴机器人.遵循人手的运动特性设计面向手功能康复训练的软体机器人具有如下功能:(１)软体驱动器在加压时可以弯曲成近似封闭的拳头,也可以通过掌指关节的主动伸缩,实现对手掌肌肉的拉伸,各手指和各关节可以耦合或独立运动,提高手部的灵活性和力量;(２)驱动器遵循手指的运动规律,指节具有伸长模块,并且可以提供足够大的驱动力;(３)软体机器人穿戴部分的手套质量不超过０．５k g[８],执行器的宽度和高度与成年人手尺寸相近[１７],符合便携性要求,可以轻松地将其戴上或取下,可以在手指开闭时实现小范围的尺寸可调性,符合安全性要求.１．２㊀原理设计从形态和功能仿生的角度出发,设计能尽量时刻与人手贴合的执行器,如图１所示.为了舒适地驱动手的弯曲和伸展,分别对各个关节和指节进行设计,近指关节(p r o x i m a l i n t e r p h a l a n g e a l p o i n t,P I P)和远指关节(d i s t a li n t e r p h a l a n g e a l p o i n t,D I P)采用气动网络结构(图１②),掌指关节(m e t a c a r p o p h a l a n g e a l p o i n t,M C P)结合了快气网[１]和慢气网[１８]结构,指节采用中空的增强型结构[１９](图１③).图１㊀软体驱动器结构F i g．１㊀T h e s t r u c t u r e o f t h e s o f t a c t u a t o r在手指弯曲或伸展时由于关节相对关系的变化,导致执行器关节与人手生物关节相对位置有所偏移,因此需要将指节模块设计为可伸长的间隔腔型结构,上下边长分别为d１㊁d２,如图１所示.间隔腔型结构类似于纤维增强原理,可以限制执行器的径向膨胀,保证更好的轴向伸长功能.人手掌指关节可以完成弯曲和反向主动伸缩两个方向的运动且正反方向的运动范围不同,根据气动网络原理[１,１８]设计双向弯曲的掌指关节模块,运动范围为正向０~９０ʎ,反向０~２０ʎ,上层的正向弯曲结构采用快气网(f P N)原理[１],下层的反向弯曲结构采用慢气网(s P N)原理[１８],气室高度为h,模块长度为d,宽度为s,如图１所示.所设计的掌指关节可以实现给上层或下层加压相同时产生不同的弯曲角度,且各层的结构互为另一层的限制层.近指关节和远指关节设计为图１所示形状.１．３㊀关节结构参数确定根据人手生物结构和运动特性,从仿生的角度确定执行器外观结构后,再通过仿真分析评价气动网络结构各几何参数对弯曲效果的影响来确定具体参数取值.五根手指采用基本相同的结构设计,驱动器的宽s为２０mm,高h为１５mm,长度尺寸参数如表１所示.４８８中国机械工程第３３卷第８期２０２２年４月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.表１㊀指节及关节长度参数T a b．１㊀K n u c k l e a n d j o i n t l e n g t h p a r a m e t e r s mm掌指关节d 近端指骨d１/d２近端关节d１/d２中间指骨d１/d２远端关节d１/d２远端指骨d１/d２拇指１８２９/３２２２/１６１２/１８２２/１６１２/１５食指２０２５/２８２２/１６８/１４２２/１６９/１２中指２２２９/３２２２/１６１２/１８２２/１６９/１２无名指２０２５/２８２２/１６８/１４２２/１６９/１２小指１８２１/２４２２/１６６/１２２２/１６７/１０㊀㊀手指各关节活动范围如下(下标m代表大拇指)[１９]:－２０ʎɤθM C Pɤ９０ʎ,０ʎɤθP I Pɤ１１０ʎ,０ʎɤθD I Pɤ９０ʎ;０ʎɤθmM C Pɤ７０ʎ,０ʎɤθm P I Pɤ８０ʎ,０ʎɤθm D I Pɤ９０ʎ.采用气动网络结构设计的关节的弯曲变形不仅与输入压力有关,还与结构本身的参数有关.输入相同压力时,气室的高度越大,弯曲变形越大;气室的个数越多,弯曲变形越大.手指的关节长度参数是确定的,因此可以通过改变气室高度参数来确定最佳执行器的结构.确定执行器外壁厚２mm㊁内壁厚１．５mm,长度d１＝２２mm,d２＝１６mm,高１５mm,宽２０mm.气室高分别设定为h＝６．５,７,７．５,８,８．５mm,利用有限元仿真得到关节在最大压力６０k P a下的弯曲角度θ,将载荷分成若干级,逐步施加到结构上,然后按照各个阶段不同的非线性性质逐步求解得到关节压力Ｇ角度模型,如图２所示.图２㊀关节pＧθ关系模型F i g．２㊀T h e r e l a t i o n s h i p m o d e l o f pＧθ根据图２所示的压力Ｇ角度模型,结合手指关节的运动范围,选择近侧指间关节气室高度h＝８mm,远侧指间关节气室高度h＝７mm.保证近侧关节弯曲角度接近１１０ʎ,远侧关节弯曲角度接近９０ʎ,符合手指的运动特性.２㊀软体驱动器建模㊁分析及制造２．１㊀有限元建模该执行器采用超弹性材料硅橡胶(M４６３５A)制成,超弹性材料具有不可压缩㊁大变形㊁非线性三个特性.由于硅橡胶材料在外力作用下材料特性和几何特性都呈非线性变化,所以通常采用应变能密度函数来表示其力学性能[２０Ｇ２２].对于硅橡胶这种大变形行为材料,适合用Y e o h模型模拟,Y e o h模型具有用简单的单轴拉伸试验数据描述其他变形的力学行为的能力[２０Ｇ２２],其应变能密度函数模型为W＝ðN i＝１C i０(I－３)i＋ðN k＝１１d k(J－１)２k(１)㊀㊀应变能函数为w＝C１０(I－３)＋C２０(I－３)２(２)式中,J为变形后与变形前的体积比,对于不可压缩材料, J＝１;I为第一应变张量不变量,为一常数;N㊁d k㊁C１０㊁C２０为材料常数.通过硅橡胶试样的拉伸试验得到模型系数C１０＝０．１２５,C２０＝０．００７５.本构曲线如图３所示.图３㊀Y e o h模型单轴拉伸试验曲线F i g．３㊀U n i a x i a l t e n s i l e t e s t c u r v e o fY e o hm o d e l基于所设计的结构,利用A B A Q U S软件对手部执行器进行受力和变形分析.材料是超弹性硅橡胶,选用Y e o h模型定义执行器的材料特性,定义材料参数密度为１１３０k g/m３,系数C１０＝０．１２５,C２０＝０．００７５,对模型进行网格划分,消除重力的作用.仿真得到手指在握拳弯曲及反向主动伸缩运动时输入的压力与角度之间的关系.图４所示为单根手指在压力分别为０,１１．２５,１９．６９,３０．３２,４０,６０k P a时的弯曲情况以及在０,５０,１００k P a下反向主动伸缩手指的形态.(a)人手正向弯曲图㊀㊀㊀㊀(b)弯曲建模(c)人手反向主动伸缩图(d)主动伸缩建模图４㊀弯曲、主动伸缩建模F i g．４㊀M o d e l i n g b e n d i n g a n da c t i v e e x p a n s i o n５８８面向手功能康复训练的软体机器人设计 丛㊀明㊀毕㊀聪㊀王明昊等Copyright©博看网. All Rights Reserved.由图４可知,手指在６０M P a压力下弯曲成近似多边形形状,可以完成日常生活中抓取和握拳等动作;在１００M P a下反向主动伸缩可以实现对患者手部肌肉的拉伸,促进手部功能的恢复.２．２㊀软体机器人制造流程为保证软体康复训练机器人具有灵活性和适应性,满足驱动力和弯曲角度的要求,本文融合硅橡胶及凯夫拉纤维线等多种柔性材料,采用模具设计㊁手指浇筑㊁驱动器成形㊁整体制作等多步工艺制造软体机器人,充分利用和发挥柔性材料的柔顺性,及其非线性㊁黏弹性和迟滞特性等在软体康复手运动和控制中的作用,降低控制的复杂度,实现灵活性和良好的交互性.软体机器人的制造流程如图５所示.图５㊀软体机器人制造流程F i g．５㊀S o f t r o b o tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s手功能康复训练机器人的每根驱动器由三个关节和三段指节组成,利用模型求反的原理设计模具.为保证更多的自由度㊁实现对各个关节和指节的独立控制,将管路接口均设置在上方,以实现对康复机器人的单个单元控制或者多个单元协同控制.驱动器由邵氏硬度为３７H A的硅橡胶制成,加压时关节结构由于上下层不同的变形产生弯曲,指节结构会有一定程度的伸长,保证与人手指更好的贴合效果.以１０ʒ１比例混合均匀硅胶A 和B,真空脱气;采用压铸一体式的模具,恒温箱加速固化后,用原硅胶混合液粘在一起制成单根手指,指节部分外侧缠绕凯夫拉纤维线[８],绕线的间距为３．５mm,角度为ʃ６ʎ,限制径向膨胀,保证伸长效果并提供足够大的驱动力.利用气管连接气动控制系统和执行器的各个气室,通过调节气压大小及管路的开闭实现对各个关节弯曲角度的控制和对各个指节伸长率的控制.采用３D打印技术制成手掌,所设计的手掌由大手掌㊁小手掌和可调连接部分组成,其中可调连接部分为硅胶材料,可实现一定程度的调节以更好地适应人手.弯曲传感器固定在手掌的五根手指对应位置,浇筑五根气动手指并集成在手掌上制成康复手套,整个康复手套的质量约为４００g,符合便携性的要求,患者可以通过佩戴手套进行康复训练.３㊀运动行为控制实验３．１㊀实验平台手部康复训练机器人实验平台由支架及控制系统组成.气动控制系统由压力泵㊁微型控制器㊁减压阀㊁节流阀㊁两个两位三通电磁阀㊁压力传感器和连接器组成.向微型控制器输入预设压力值,由微型控制器控制压力泵工作,气体通往执行器所连通的气室,使关节和指节实现弯曲或伸长.实验平台如图６所示.图６㊀实验平台F i g．６㊀T h e e x p e r i m e n t p l a t f o r m控制系统单片机处理单元采用A r d u i n o控制整个气路,并通过安装在手掌上的弯曲角度传感器对软体康复训练机器人的弯曲特性进行角度定位及角度跟随的精确控制.驱动器由柔性材料硅橡胶制成,在内部气压变化下实现连续的弯曲变形.由于材料的非线性,在驱动器手指下侧黏附弯曲传感器来监测弯曲情况,利用电阻式角度弯曲传感器F l e xS e n s o r４．５获取手部动作实时角度信息.对弯曲传感器进行标定,并结合气压传感器拟合气压与弯曲角度之间的关系,保证输入气压与手指弯曲角度值的准确对应,通过预先设定具体气压值来实现对各个手指弯曲运动的精确控制.３．２㊀单根手指实验对气动手指关节分别施加０,２０,３０,４０,５０,６８８中国机械工程第３３卷第８期２０２２年４月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.６０k Pa 的压力,待被测手指稳定后测量手指的变形情况,如图７所示.以掌指关节端的中心为原点(０,０),由掌指关节指向指尖的方向为X 轴正方向,垂直向上的方向为Y 轴正方向,对手指末端轨迹的(x ,y )坐标进行跟踪,并对比有限元和实验,结果如图８所示.手指在受到气压驱动时会发生图７所示的向下弯曲,符合人手握拳时的运动特性,逐渐弯曲成类似的多边形拳头状.随着气压增大,手指末端的坐标位置变化规律为:x 坐标逐渐变小,y 坐标先变小后逐渐变大.实验曲线与仿真结果基本一致,均符合人手握拳时指尖相对掌关节位置的运动规律,具体坐标值如表２所示.图７㊀单根气动手指弯曲变形F i g ．７㊀S i n g l e p n e u m a t i c f i n ge r b e n ds 图８㊀指尖轨迹F i g ．８㊀F i n g e r t i p t r a j e c t o r y表２㊀指尖坐标T a b ．２㊀T i p o f t h e f i n ge r c o o r d i n a t e s mm气压(k P a)０２０３０４０５０６０实验１０４,０７７,－７５２３,－８９１０,－８７－１５,－６５－２９,－４０仿真１０４,０８８,－５５４５,－８６－１１,－７６－２４,－５１－３２,－２０㊀㊀对气动手指指节施加６０k P a 的压力,指节可以伸长１３．２％,保证在手弯曲时执行器与人手的生物关节对齐;掌关节具有双向弯曲模块,可以反向主动伸缩,保证对手掌肌肉的拉伸,达到康复训练效果.指节轴向伸长及掌关节反向弯曲效果如图９所示,掌关节下层的慢气网结构在施加６０k P a压力时会有反向主动伸缩效果;指节在不加压时约为３８mm ,施加６０k P a 压力长度约为４３mm .图９㊀指节伸长及掌关节反向弯曲效果F i g ．９㊀K n u c k l e e l o n g a t i o na n db e n d i n g ef f e c t o f m e t a c a r p a l jo i n t r e v e r s a l 驱动器除了要符合人手运动特性外,也要提供人手日常所需的驱动力.对驱动器施加压力,测量不同气压下指尖力的大小,测量结果如图１０所示,在８０k P a 下指尖力可以达到５．１N ,满足人手日常生活的需求.图１０㊀指尖力结果F i g ．１０㊀F i n g e r t i p fo r c e r e s u l t ３．３㊀康复训练实验处于不同阶段的脑中风患者手部僵硬程度有所不同,需要根据每个阶段的特点进行康复训练.早期阶段,手指较僵硬应采用抓握训练;恢复中期需要进行小范围的手指康复运动,对每个手指进行分离运动并逐步增大手指康复运动的范围;训练后期患者手指具有一定的自主伸缩能力,可以进行一些特定的手势训练提高手指的灵活性[２３].拇指与其他指尖的相对接触即对指运动需要拇指的每一个自由度和对侧手指关节的协调,对指运动可以体现康复训练后期手指运动功能的恢复[２４].为验证软体机器人的康复训练效果,进行了抓取实验㊁单指和对指运动实验及手势训练实验,如图１１~图１３所示.图１１中软体康复手对圆柱形㊁球形和方形物体从不同角度进行抓取,并实现抓握和捏两种方７８８ 面向手功能康复训练的软体机器人设计丛㊀明㊀毕㊀聪㊀王明昊等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图１１㊀抓取实验F i g ．１１㊀G r a b e x pe r i m e nt (a)单指运动(b)对指运动图１２㊀单指㊁对指运动实验F i g ．１２㊀S i n g l e f i n g e r ,o p p o s i t e f i n g e r e x pe r i m e nt 图１３㊀手势训练实验F i g ．１３㊀G e s t u r e e x pe r i m e n t 式.图１２完成单指运动和对指运动,图１３完成两种手势运动,验证手指独立和耦合运动的灵活性.图１１~图１３的实验表明所设计的软体康复机器人能满足患者手指不同阶段僵硬程度的康复训练.所设计的软体康复手符合人手运动和力的要求,加压时可近似弯曲成多边形形状,指尖力可达到５．１N .其中掌关节可实现双向弯曲运动,对手掌内侧肌肉进行拉伸;指节可实现伸长效果,保证与人手生物关节对齐,更好地贴合人手.４㊀结论本文基于气动网络原理设计了一种分段式结构的可穿戴软体康复机器人,掌关节结合快气网和慢气网设计成双层结构,指节采用增强型结构.该装置可以实现掌指关节弯曲及主动伸缩双向运动㊁单个手指和多根手指的独立和耦合运动,辅助日常生活中抓㊁握㊁捏等动作,并完成特定手势动作,装置具有伸长模块,６０k P a 下可伸长１３．２％,保证与人手生物关节的对齐;采用多材料集成,保证执行器能提供足够大的驱动力,８０k P a 下指尖力达到５．１N ;基于传感器感知信息,对执行器的弯曲特性进行角度定位及角度跟随的精确控制.运动和力的实验结果与仿真结果相近,验证了手功能康复训练软体机器人的可行性,双向弯曲模块及伸长模块的设计保证了康复训练的效果.参考文献:[１]㊀P O L Y G E R I N O S P ,L Y N E S ,WA N G Z ,e t a l ．T o w a r d s a S o f t P n e u m a t i cG l o v e f o rH a n dR e h a b i l i Ｇt a t i o n [C ]ʊI E E E /R S JI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n I n t e l l i g e n t R o b o t s a n d S y s t e m s (I R O S )．T o k y o ,２０１３:１５１２Ｇ１５１７．[２]㊀郭本浩．手功能康复训练机器人硬件系统的设计与实现[D ]．上海:上海师范大学,２０１９．G U OB e n h a o ．D e s i g na n d I m p l e m e n t a t i o no fH a r d Ｇw a r e S ys t e m o f H a n d F u n c t i o n R e h a b i l i t a t i o n T r a i n i n g R o b o t [D ]．S h a n g h a i :S h a n g h a i N o r m a l U n i v e r s i t y,２０１９．[３]㊀C H R I S T O P H E R NS ,S A S HABG ,R A H S A A NJH ,e t a l ．D e v e l o p m e n ta n dP i l o tT e s t i n g o f H E X ＧO R R :H a n dE X OS k e l e t o nR e h a b i l i t a t i o nR o b o t [J ]．J o u r n a lo f N e u r o E n g i n e e r i n g a n d R e h a b i l i t a t i o n ,２０１０,７(１):７Ｇ３６．[４]㊀U E K IS ,K AWA S A K IH ,I T O S ,e t a l ．D e v e l o pＧm e n t o f aH a n d Ｇa s s i s tR o b o tw i t h M u l t i Ｇd e gr e e s Ｇo f Ｇf r e e d o m f o r R e h a b i l i t a t i o n T h e r a p y [J ]．I E E E /A S M E T r a n s a c t i o n s o n M e c h a t r o n i c s ,２０１２,１７(１):１３６Ｇ１４６．[５]㊀王启申,李继婷．手康复机器人钢丝绳Ｇ绳套传动系统中的摩擦补偿[J ]．机器人,２０１４,３６(１):１Ｇ７．WA N G Q i s h e n ,L I J i t i n g ．F r i c t i o nC o m p e n s a t i o n i n W i r e r o p e Ｇb e a r i n g S ys t e m o f H a n d R e h a b i l i t a t i o n R o b o t [J ]．R o b o t ,２０１４,３６(１):１Ｇ７．[６]㊀B O U Z I T M ,B U R D E A G ,P O P E S C U G ,e t a l ．T h eR u t g e r sM a s t e rⅡN e w D e s i g nF o r c e Ｇf e e d b a c k G l o v e [J ]．I E E E /A S M E T r a n s a c t i o n s o n M e c h a Ｇt r o n i c s ,２００２,７(２):２５６Ｇ２６３．[７]㊀P O L Y G E R I N O SP ,WA N GZ ,O V E R V E L D EJTB ,e t a l ．M o d e l i n g o fS o f tF i b e r Ｇr e i n f o r c e dB e n d i n gA c t u a t o r s [J ]．I E E E T r a n s a c t i o n s o n R o b o t i c s,２０１５,３１(３):７７８Ｇ７８９．[８]㊀P O L Y G E R I N O SP ,WA N G Z ,G A L L OWA Y K ,e t a l ．S of tR o b o t i cG l o v ef o rC o m b i n e d A s s i s t a n c e a n dA t Ｇh o m eR e h a b i l i t a t i o n [J ]．R o b o t i c s &A u t o n Ｇ８８８ 中国机械工程第３３卷第８期２０２２年４月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.o m o u sS y s t e m s,２０１５,７３(S):１３５Ｇ１４３．[９]㊀J I A N G Y,C H E N D,L I U P,e t a l．F i s h b o n eＧi n s p i r e dS o f tR o b o t i cG l o v e f o rH a n dR e h a b i l i t a t i o nw i t h M u l t iＧd e g r e e sＧo fＧf r e e d o m[C]ʊ２０１８I E E EI nＧt e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n S o f t R o b o t i c s．L i v o r n o,２０１８:３９４Ｇ３９９．[１０]㊀WA N GJ,F E IY,P A N G W．D e s i g n,M o d e l l i n ga n dT e s t i n g o faS o f tP n e u m a t i cG l o v ew i t hS e gＧm e n t e dP n e u N e t s B e n d i n g A c t u a t o r s[J]．I E E E/A S M E T r a n s a c t i o n so n M e c h a t r o n i c s,２０１９,２４(３):９９０Ｇ１００１．[１１]㊀S H I N T A K E J,R O S S E T S,S C HU B E R T B,e t a l．V e r s a t i l eS of tG r i p p e r s w i t hI n t r i n s i cE l e cＧt r o a d h e s i o nB a s e do n M u l t i f u n c t i o n a l P o l y m e rA cＧt u a t o r s[J]．A d v a n c e d M a t e r i a l s,２０１６,２８(２):２３１Ｇ２３８．[１２]㊀S H E N Q,T R A B I A S,S T A L B A UM T,e t a l．A M u l t i p l eＧs h a p e M e m o r y P o l y m e rＧm e t a lC o m p o s i t eA c t u a t o rC a p a b l e o f P r o g r a mm a b l eC o n t r o l,C r e aＧt i n g C o m p l e x３D M o t i o no fB e n d i n g,T w i s t i n g,a n d O s c i l l a t i o n[J]．S c i e n t i f i c R e p o r t s,２０１６,６:２４４６２．[１３]㊀L A S C H IC,C I A N C H E T T I M,MA Z Z O L A IB,e t a l．S of tR o b o tA r mI n s p i r e db y t h eO c t o p u s[J]．A d v．R o b o t,２０１２,２６(７):７０９Ｇ７２７．[１４]㊀熊有伦,熊蔡华．机器人多指抓取的研究进展与展望[J]．华中科技大学学报(自然科学版),２００４,３２(S１):５Ｇ１０．X I O N G Y o u l u n,X I O N G C a i h u a．R e s e a r c h P r oＧg r e s s a n dP r o s p e c t o fR o b o tM u l t iＧf i n g e rＧg r a b b i n g[J]．J o u r n a lo f H u a z h o n g U n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n),２００４,３２(S１):５Ｇ１０．[１５]㊀韩旭．可延展关节的软体外骨骼手指及其制备的研究[D]．哈尔滨:哈尔滨工业大学,２０１８．HA N X u．R e s e a r c h o nF l e x i b l eE x o s k e l e t o nF i n g e rw i t h E x t e n s i b l e J o i n t s a n d I t s F a b r i c a t i o n[D]．H a r b i n:H a r b i n I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,２０１８．[１６]㊀袁路林．软体外骨骼康复手系统设计与实现[D]．武汉:华中科技大学,２０１８．Y U A N L u l i n．D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fS o f tE x o s k e l e t o nR e h a b i l i t a t i o nH a n dS y s t e m[D]．W uＧh a n:H u a z h o n g U n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n dT e c h n oＧl o g y,２０１８．[１７]㊀刘冬,王明昊,毕聪,等．刚软结合可穿戴手部康复装置设计[J]．中国机械工程,２０２１,３２(８):９３０Ｇ９３７．L I U D o n g,WA N G M i n g h a o,B IC o n g,e t a l．D eＧs i g n o fa W e a r a b l e H a n d R e h a b i l i t a t i o n D e v i c ew i t hR i g i da n dS o f tC o m b i n a t i o n[J L]．C h i n a M eＧc h a n i c a l E n g i n e e r i n g,２０２１,３２(８):９３０Ｇ９３７．[１８]㊀M O S A D E G H B,P O L Y G E R I N O SP,K E P L I N G E R C,e t a l．P n e u m a t i c N e t w o r k sf o rS o f t R o b o t i c sT h a t A c t u a t e R a p i d l y[J]．A d v a n c e d F u n c t i o n a lM a t e r i a l s,２０１４,２４(１５):２１６３Ｇ２１７０．[１９]㊀赵芳．软体外骨骼手部康复机器人的研究[D]．天津:天津理工大学,２０１６．Z HA OF a n g．R e s e a r c h o nH a n dR e h a b i l i t a t i o nR oＧb o tw i t h S o f t E x o s k e l e t o n[D]．T i a n j i n:T i a n j i nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,２０１６．[２０]㊀王永冠,李心,黄友剑．橡胶计算中本构模型的选择[C]ʊ 时代新材杯 全国橡胶制品技术研讨会．株洲,２００７:４４３Ｇ４４９．WA N G Y o n g g u a n,L IX i n,HU A N G Y o u j i a n．S eＧl e c t i o no f C o n s t i t u t i v eM o d e l i nR u b b e r C a l c u l a t i o n[C]ʊ N e w M a t e r i a lC u p N a t i o n a lR u b b e rP r o dＧu c tT e c h n o l o g y S e m i n a r．Z h u z h o u,２００７:４４３Ｇ４４９．[２１]㊀殷闻,靳晓雄,仝光．两种常用橡胶本构模型的有限元分析及其仿真[J]．上海电机学院学报,２０１０,１３(４):３３Ｇ３６．Y I N W e n,J I N X i a o x i o n g,T O N G G u a n g．F i n i t eE l e m e n t A n a l y s i sa n d S i m u l a t i o n o f T w o C o mＧm o n l y U s e dR u b b e rC o n s t i t u t i v eM o d e l s[J]．J o u rＧn a l o f S h a n g h a i I n s t i t u t e o fE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,２０１０,１３(４):３３Ｇ３６．[２２]㊀陈家照,黄闽翔,王学仁,等．几种典型的橡胶材料本构模型及其适用性[J]．材料导报:纳米与新材料专辑,２０１５(２９):１１８Ｇ１２０．C H E N J i a z h a o,HU A N G M i n x i a n g,WA N GX u e r e n,e t a l．S e v e r a lT y p i c a l C o n s t i t u t i v eM o d e l so fR u b b e r M a t e r i a l sa n d T h e i r A p p l i c a b i l i t y[J]．M a t e r i a l sG u i d e:N a n oa n d N e w M a t e r i a l s,２０１５(２９):１１８Ｇ１２０．[２３]㊀何雷．手功能康复训练机器人的设计与实现[D]．上海:上海师范大学,２０１９．H E L e i．D e s i g n a n d I m p l e m e n t a t i o n o f H a n dF u n c t i o n R e h a b i l i t a t i o n T r a i n i n g R o b o t[D]．S h a n g h a i:S h a n g h a iN o r m a lU n i v e r s i t y,２０１９．[２４]㊀刘成龙．面向手部运动功能康复的双向软体致动器的设计[D]．武汉:华中科技大学,２０１９．L I U C h e n g l o n g．D e s i g no fB i d i r e c t i o n a lS o f t w a r eA c t u a t o r f o rR e h a b i l i t a t i o no f H a n d M o t o rF u n cＧt i o n[D]．W u h a n:H u a z h o n g u n i v e r s i t y o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y,２０１９．(编辑㊀袁兴玲)作者简介:丛㊀明,男,１９６３年生,教授㊁博士研究生导师.研究方向为机器人与自动化技术的研究与应用.EＧm a i l:c o n g m＠d l u t．e d u．c n.刘㊀冬(通信作者),男,１９８５年生,副教授㊁博士研究生导师.研究方向为智能机器人与系统,软体机器人. EＧm a i l:l i u d o n g＠m a i l．d l u t．e d u．c n.９８８面向手功能康复训练的软体机器人设计 丛㊀明㊀毕㊀聪㊀王明昊等Copyright©博看网. All Rights Reserved.。
智能康复辅助机器人的设计与研究
智能康复辅助机器人的设计与研究随着人口老龄化加速，康复医学也逐渐受到关注，尤其是智能康复辅助机器人的研究和应用。
智能康复机器人是一种通过智能化技术，辅助患者进行运动康复的机器人。
它通过自主学习和人类交互，能够提供适当的训练方式，以达到促进患者康复的目的。
本文将探讨智能康复辅助机器人的设计和研究。
一、智能康复机器人的功能智能康复机器人的功能主要包括运动训练、姿态监测、语音交互、人体测量和运动分析等方面。
其中，运动训练是智能康复机器人最主要的功能之一。
通过引导患者进行各种运动动作，可以促进患者身体的恢复。
姿态监测是智能康复机器人另一项重要的功能，它可以精准监测患者的各种姿态，避免患者姿态出现错误或悬空状态，从而保证运动的安全性。
语音交互可以帮助患者及时了解训练进程和效果，提高康复的积极性。
人体测量可以采集患者的运动数据，为机器人提供更为准确的数据支持。
运动分析则是通过对运动数据的分析，来预测患者康复的效果和发现问题。
二、智能康复机器人的设计智能康复机器人的设计需要考虑多个方面，包括机器人的结构、运动控制、姿态监测、交互界面等。
在机器人结构的设计方面，应该考虑到机器人的大小、重量和稳定性等。
同时，机器人的运动控制应该是精准的，并能够保证患者的动作真实逼真。
在交互界面中，语音交互会提供极大的便利。
智能康复机器人的姿态监测是实现机器人运动控制和患者安全的重要部分。
目前，使用惯性测量单元(IMU)实现姿态监测是一种常见的方法。
IMU可以测量机器人的加速度、角速度和方位角等参数，从而实现对机器人姿态的监测。
同时，IMU 还可以用于监测患者的姿态，从而保证机器人运动的安全。
在IMU之外，还可以运用电磁测量单元(EMG)监测患者的肌肉运动信号，并通过分析这些数据来预测患者准确的运动意图和动作。
三、智能康复机器人的研究智能康复机器人的研究主要围绕着机器人的智能化、交互性和可穿戴技术等方面。
在智能化方面，机器人需要能够根据患者的需要，自主设计适合患者身体状况的康复方案。
软体外骨骼手部康复机器人的研究
分类号：密级：天津理工大学研究生学位论文软体外骨骼手部康复机器人的研究（申请工程硕士学位）工程领域：机械工程作者姓名：赵芳指导教师：郭书祥教授2016年1月Thesis Submitted to Tianjin University of Technology forthe Master’s DegreeStudy on a Soft Exoskeleton Robot for the Hand RehabilitationByFang ZhaoSupervisorShuxiang GuoJanuary, 2016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：年月日摘要中风被医学界公认为是威胁人类健康的三大疾病之一，而中风后导致偏瘫的概率达百分之五十以上，此类患者的康复需求引起了社会极大关注。
为解决现阶段手部康复机器人研究成果中存在的一些问题如结构复杂、不便携、存在安全隐患等，本课题设计了一套软体外骨骼式机器人系统，用于辅助偏瘫患者在康复初期进行手指的屈伸运动训练。
该系统操作简单、质轻、便携，且消除了潜在的安全隐患。
系统包括软体外骨骼手套、计算机、表面肌电信号采集设备、微型真空泵、电磁阀组及多个控制器。
上肢康复机器人的设计与控制研究
上肢康复机器人的设计与控制研究上肢康复机器人是近年来发展迅速的一种康复辅助设备，它通过模拟人手的运动和力量提供康复训练，对于帮助患有上肢功能障碍的患者恢复手部功能起着至关重要的作用。
上肢康复机器人的设计与控制是其关键技术，直接关系到机器人在康复训练中的效果和实用性。
本文对上肢康复机器人的设计与控制进行深入研究，旨在寻求更好的设计方案和控制策略，提高机器人在康复训练中的应用效果。
首先，上肢康复机器人的设计应该考虑到患者的具体康复需求，以及机器人所需具备的功能。
在设计过程中，需要充分考虑机械结构的稳定性和可靠性，确保机器人在进行康复训练时能够保持稳定的运动轨迹和力量输出。
另外，还需要考虑机器人的外形设计，使其符合人体工程学原理，使患者在使用过程中感到舒适和便捷。
其次，上肢康复机器人的控制是设计过程中至关重要的一环。
控制系统应该能够实现对机器人的精确控制，确保机器人能够根据患者的康复需求进行个性化的训练。
在控制算法的选择上，可以考虑使用反馈控制算法或者深度学习算法，以实现对机器人的精准控制和运动轨迹的规划。
此外，还可以考虑引入视觉识别技术或者生物反馈技术，以提高机器人的控制精度和用户体验。
在上肢康复机器人的设计与控制中，还需要考虑到机器人与患者之间的交互问题。
机器人应该能够实时获取患者的运动数据和生理信号，以进行实时监测和调整。
同时，还需要考虑到机器人对患者的指导和鼓励，以提高康复训练的效果。
在此基础上，可以进一步探索机器人与患者之间的智能交互，使康复训练更加个性化和有趣。
梳理一下本文的重点，我们可以发现，上肢康复机器人的设计与控制是一项复杂而又具有挑战性的工作，需要综合考虑机械结构、控制算法、交互设计等多个方面的因素。
通过本文的深入研究，相信可以为上肢康复机器人的设计与控制提供一些有价值的思路和方法，促进该领域的进一步发展。
通过不懈的努力和探索，相信上肢康复机器人必定能够更好地为患者的康复训练服务，帮助他们重拾生活的信心和独立能力。
医疗康复机器人的设计及研究
医疗康复机器人的设计及研究摘要：根据有关调查显示，至2030年，我国慢性病患病率将高达65.7%，其中80%的慢性病患者需要康复治疗，这使得护理人员的负担越来越重。
本研究课题通过设计出一款可折叠的医疗康复机器人从而提高护理人员的效率，降低了在护理工作中长期背抱患者移位而形成的扭伤等职业病，由于其小巧，因此可塞进汽车后备箱。
设计的展现形式主要通过Solidworks软件画出零件图，并进行装配，之后进行仿真，得到具体数据，其原理是通过控制电机驱动抓手来模拟护理人员手臂将患者抱起的动作，并且可调节电动推杆来控制医疗康复机器人的高度，方便将患者移动到轮椅、床和汽车上。
关键词：移位；折叠；可调节；医疗康复1.总体设计操作装置的设计应以方便护理人员使用为前提，即操作界面应该简单易懂，操作装置。
该操作装置各个按钮的摆放与其控制的各个伺服电机和电动推杆的位置相对应，所代表的方向为护理人员站在医疗康复机器人的后方。
遥控器下方的向下剪头按钮代表控制医疗康复机器人下方的电动推杆的收缩，当电动推杆下降到最低位置后，再按向下剪头按钮，医疗康复机器人将不再有任何反应；遥控器下方的向上剪头按钮代表控制医疗康复机器人下方的电动推杆的伸出，当电动推杆上升到最高位置后，再按向上剪头按钮，医疗康复机器人将不再有任何反应；遥控器左上方左边的向左旋转样式的按钮代表控制医疗康复机器人背部伺服电机逆时针旋转，即越来越使患者趋于平躺状态；遥控器左上方右边的向右旋转样式的按钮代表控制医疗康复机器人背部伺服电机顺时针旋转，即越来越使患者趋于坐姿状态；遥控器右上方右边的向左旋转样式的按钮代表控制医疗康复机器人腿部伺服电机逆时针旋转，即越来越使患者的腿部趋于抬起状态；遥控器右上方右边的向右旋转样式的按钮代表控制医疗康复机器人腿部伺服电机顺时针旋转，即越来越使患者的腿部趋于伸直状态；遥控器右侧最上方向左旋转样式的按钮代表控制医疗康复机器人腿部伺服电机上方的伺服电机逆时针旋转，此按钮是在医疗康复机器人由使用状态向折叠状态过度时使用，减小机器人占用的空间；遥控器右侧最上方向右旋转样式的按钮代表控制医疗康复机器人腿部伺服电机上方的伺服电机顺时针旋转，此按钮是在医疗康复机器人由折叠状态向使用状态过度时使用。
手康复机设计论文
引言康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。
随着传统机械学、传感技术、生物医学、智能控制技术、计算机技术及其他新兴技术的迅速发展，给生物医学工程领域的医用机器人技术带来了高速发展的契机，促进了医用领域的设备自动化和机器人化。
医用机器人结合了多个学科最新研究和发展的成果，应用于医学诊疗，康复等相关的医学领域，其中，康复机器人占据相当大的比例，如各种假肢、矫形器及用于恢复四肢功能性障碍的康复辅助医疗设备。
康复机器人可细分为辅助型和治疗型两种，辅助型康复机器人主要用来帮助老年人和残疾人更好的适应日常生活和工作，部分补偿了他们弱化的机体功能。
目前，很多国家已经开始进入老龄化社会，据世界卫生组织统计，再过50年，全世界60岁以上的老龄人口将翻一番；另外，疾病、灾难等也造成了大量的残疾人，他们需要大量的看护服务。
康复机器人不但可以照料他们的日常生活，还能帮他们找回自立、自尊的感觉，重新融入社会当中去。
目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展,也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。
康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合。
20 世纪80 年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。
1990 年以前全球的56 个研究中心分布在 5 个工业区内：北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。
1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。
目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。
相信随着科学技术的发展，康复设备的研究定会更加深入，得到的关注也会越来越多。
Handy1康复机器人是目前世界上最成功的一种低价的康复机器人系统，现在有100多名严重残疾的人经常在使用它。
手部康复训练机器人设计研究的开题报告
手部康复训练机器人设计研究的开题报告一、选题背景手部功能障碍是许多神经系统疾病(如中风、脑损伤等)和肌肉骨骼疾病(如多发性硬化症、截肢等)的常见后遗症，导致病人的日常生活、工作和社交活动受到很大程度的限制。
手部康复训练一直是康复医学中的重要治疗手段之一，但是传统的手部康复训练在效率和效果方面存在诸多不足，如康复师的疲劳、局限性和缺乏客观评定手段等。
因此，如何设计一款高效、精准、可量化的手部康复训练机器人，是当前急需解决的问题，也是本课题研究的核心内容。
二、研究目的和意义本研究旨在设计一款可用于手部康复训练的机器人，并通过对机器人效果的量化评定，研究机器人对手部康复训练的辅助效果和优越性。
本研究结果将可向康复医师提供一个全新的手部康复训练工具，有助于改善传统康复训练模式的局限性，提高手部康复的疗效和患者的生活质量。
三、研究内容和方法3.1 研究内容（1）设计一款基于运动学和控制理论的手部康复训练机器人，可进行各种手部康复训练。
（2）构建一套康复训练系统，包括机器人控制中心、运动捕捉系统、生物反馈系统等，以实现机器人对康复训练的辅助和量化评定。
（3）进行对照实验，比较机器人辅助康复训练和传统康复训练的差异，分析机器人的优越性和应用前景。
3.2 研究方法（1）文献调研，分析目前机器人康复训练领域的研究现状和发展趋势，制定研究方案和技术路线。
（2）机械设计，采用专业的机械学设计软件(comsol、abaqus等)建立机器人模型，并进行模拟分析和实物验证，确保机器人控制精度和运动稳定性。
（3）电路设计，采用电子学、计算机科学等相关知识，对机器人的电路板和控制单元进行设计，实现对机器人运动的控制和监测，并提供数据传输和处理能力。
（4）编程实现，通过C++、Python等编程语言，为机器人编写控制程序和运动算法，根据康复训练方案，实现机器人的自动化、智能化控制，以及各种复杂的康复训练操作。
（5）系统集成与测试，根据机器人的设计目标和康复训练需要，进行机器人和康复训练系统的集成和测试，提供完整的机器人康复训练方案。
手部外骨骼康复机器人机构研究与设计
手部外骨骼康复机器人机构研究与设计作者：樊琛杨振坤高申南来源：《山东工业技术》2018年第17期摘要：本文针对中风所致手部康复需求，研究了手部外骨骼康复机器人的整体结构、行走机构、驱动机构设计，制做了手部外骨骼康复机器人的模型，并运用Rhinoceros5.0对机构进一步优化建模。
实验验证所设计的模型具有机构简单、穿戴方便、控制有效等特点，能较好地实现了食指0～90°弯曲运动，满足关节运动及韧带拉伸的康复训练需求。
关键词：手部外骨骼；康复机器人；Rhinoceros5.0DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2018.17.1191 引言手部健康灵活是人们生活质量的重要保障。
由于疾病或事故造成的手部功能障碍，使患者生活和工作受到极大影响，为其家庭带来巨大经济损失。
传统康复训练主要依靠康复医师，耗费大量人力物力，费用高、效果差，使很多患者失去康复的最佳时机[1]。
近年来，随着外骨骼机器人技术与康复工程学的不断发展，手部外骨骼康复机器人成为研究热点[2]。
本文基于手部解剖学，在研究手部自由度、关节运动、角度、速度、位置等相关内容基础上，突出研究手指为代表的四指机构设计与制作；运用Pro e软件进行实体工程建模；选取合适材料及驱动电机，制作手部外骨骼康复机器人模型，并进行实验仿真。
同时，基于工业设计和人机工学，对机构进行优化。
2 整体设计2.1 设计思路分析根据临床经验，手部康复治疗主要为韧带拉伸和关节运动[3]。
以食指为例，弯曲自由度为3个，通过外骨骼机器人带动，帮助韧带拉伸和关节运动康复。
机构设计思路如图1所示。
2.2 整体机构设计根据手部外骨骼康复机器人设计需求，整体机构由驱动机构，连接机构，杆架机构，手部附着机构组成，如图2所示。
驱动机构提供能源动力，同时控制机构的运行；连接机构连接手掌；杆件机构是中间过渡机构，传递力的同时稳定机构；手指附着机构包裹手指，保证杆架机构和手指稳定连接[4]。
一种外骨骼式人手康复机器人的设计
一种外骨骼式人手康复机器人的设计随着科技的发展，人手康复机器人已经成为了现代康复治疗中不可缺少的一部分。
它可以帮助患者快速恢复手部功能，并提高手部康复的效果和质量。
在此基础上，我们设计了一种外骨骼式人手康复机器人。
1. 设计目标设计外骨骼式人手康复机器人的目标是为了帮助患者恢复手部功能，提高康复治疗的效果和质量。
具体而言，我们的机器人应具有以下特点：（1）能够制定个性化的康复治疗计划；（2）可以检测和记录受试者的康复进展；（3）具有良好的操控性和使用体验，下肢支撑能力稳定等。
2. 设计方案基于以上设计目标，我们设计了以下的外骨骼式人手康复机器人：（1）力控制系统：该系统采用电机驱动和力传感器反馈控制的方式，实现对力度的精确控制。
在机器人与患者的交互中，能够主动调整力度，避免过度或不足的物理刺激。
同时，这一系统也可以记录用户康复进展情况，为后续制定个性化的康复计划提供依据。
（2）机构设计：机器人与手臂的接触面采用柔性材料，使得机器人能够更好地贴合患者手臂，减小机器人对患者的阻力。
机器人机构设计采用可伸缩的机械手臂，适应不同人体尺寸，而且采用微型传感器组成精密复杂的交互系统，能够捕捉和传递患者手臂的运动和位置信息。
（3）软件系统：我们开发了一套康复软件系统，可以根据患者的康复进程，调整康复计划和康复模式。
康复模式采用逐步加强的方式，可以让患者逐渐适应康复训练。
同时，该软件系统也提供了实时的康复指导和反馈，使得患者可以在更好的状态下进行康复训练。
3. 使用效果经过严格的试验和验证，我们的外骨骼式人手康复机器人已经开始在实际的康复治疗中应用，并且取得了显著的效果。
患者使用该机器人进行康复训练，不仅可以缩短康复时间，还可以提高康复质量和效果。
机器人能够快速制定个性化康复计划和模式，帮助受试者在安全、有效的范围内实现快速恢复，并且在不断的实用过程中不断增强着康复效果。
在未来功不可没，外骨骼式人手康复机器人将会成为康复治疗的主要方式之一，帮助更多的患者实现康复愿望。
上肢康复机器人的设计与控制研究
上肢康复机器人的设计与控制研究上肢康复机器人的设计与控制研究摘要：随着人口老龄化等问题的出现，康复机器人在恢复患者肢体功能上扮演越来越重要的角色。
上肢康复机器人设计与控制的研究对于提高患者的生活质量和康复效果具有重要意义。
本论文主要介绍了上肢康复机器人的设计与控制研究的现状和发展趋势，并针对上肢康复机器人的关键技术进行了分析和探讨。
关键词：上肢康复机器人、设计、控制、关键技术1. 引言上肢康复机器人作为一种辅助设备，可以帮助患者进行上肢功能的恢复训练。
尤其对于中风后肢体功能障碍的患者，上肢康复机器人可以有效地帮助其恢复手部的运动功能，提高生活质量。
因此，研究上肢康复机器人的设计与控制对于康复医学领域具有重要的意义。
2. 上肢康复机器人的设计2.1 机械结构设计上肢康复机器人的机械结构设计是整个系统的基础，应考虑到患者的运动范围和手臂的解剖结构。
常见的设计包括机械臂和手部抓取装置。
机械臂设计需要具备足够的自由度和承重能力，以适应不同运动轨迹和力量要求。
手部抓取装置需要能够模拟人手的运动，并具有足够的灵活性和抓取力度。
2.2 传感器设计上肢康复机器人的传感器设计用于获取患者的运动状态和力量信息，以实现对机器人的精确控制。
常见的传感器包括惯性传感器、力传感器和表面电极。
惯性传感器可以用于监测患者的运动姿势和速度，力传感器可以测量机器人和患者之间的力量交互，表面电极可以用于监测患者的肌电信号。
3. 上肢康复机器人的控制3.1 控制策略上肢康复机器人的控制策略需要具备良好的实时性和灵活性，以适应患者的不同康复需求。
常见的控制策略包括PID控制、自适应控制和模糊控制。
PID控制可以实现机器人的位置和力量控制，自适应控制可以根据患者的运动状态调整控制参数，模糊控制可以处理非线性和模糊的控制问题。
3.2 运动规划上肢康复机器人的运动规划是指根据患者的运动轨迹生成机器人的运动路径，以实现恢复训练。
常见的运动规划算法包括逆向运动学和遗传算法。
一种新型穿戴式手功能康复机器人_邢科新
拉力的利用率 ,延长了气动肌肉的使用寿命 。
1. 2 传动轮的设计
通过实验知道 ,驱动四指的气动肌肉在初始
长度为 240mm 、负载 30N 的情况下 ,充气气压达
01 4M Pa 时 ,产生轴向收缩行程为 60mm ,收缩率
为 251 0 % ,而通过实验测得将四指拉直需要的行
程为 100mm ,为了解决气动肌肉行程短的问题 ,
1 机械结构设计
与正常人肢体相比 ,瘫肢更为脆弱 ,更容易受 到损伤 ,因此必须设计合适的机构以保证患者的 安全性 。R HR T - 1 与人体相接触的穿戴部分都
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中国机械工程第 20 卷第 20 期 2009 年 10 月下半月
采用聚乙烯 、聚丙烯等热塑材料制作 ,这些材料的 共同优点是轻便 、美观 、卫生 、可塑性好 、加工方便 。 制成后的手功能康复机器人更加符合生物力学要 求 ,不仅穿戴时更加舒适 ,而且治疗效果也更好。
R HR T - 1 的机械结构如图 1 所示 ,机械结 构后方安装两条气动肌肉 ,气动肌肉后端连接拉 力传感器 ,用于测量气动肌肉的拉力 。其中一根 气动肌肉前端连接一根钢丝 ,通过滑轮与前方拉 杆相连 ,气动肌肉收缩时 ,拉杆带动分指指托旋 转 ,拉动手指伸直 ;另一根气动肌肉与拇指相连 , 辅助拇指外展 。各关节处都安装角度传感器 ,用 于测量关节旋转的角度 。通过这些机械构造可辅 助患手完成伸展 、抓握等动作 ,有效减轻水肿 ,避 免肢体痉挛及非麻痹性肌肉萎缩 ,使运动尽可能 达到协调和随意 ,提高活动自由度 ,使肢体功能得 到好的恢复 ,缩短康复疗程 ,降低治疗费用 。采用 气动肌肉驱动使机器人更具柔顺性且适合穿戴 。
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ｚ—ｈａｎｄ的结构设 计理 念 主要 基 于手 部各 关 节 特性 以及手在休息位 功能位 的姿态。其中 ，休息位指 的是 在空 闲 时手所呈 现 的放 松 姿态 ，此 姿 态 下 腕关 节 背 伸 约 １０～１５度 ，拇 指 出现 轻微 外 展 ，另 外 四指都 呈 现 出半 屈 伸状 态 ，这 是人 体 内在肌 与外在 肌张 力相互 平衡 的结 果 。
由 以上 的例子 可知 ，相对 于 常见 的这些致 力 于肩 、肘 等 大关 节 的产 品 ，市面 上 专 门针 对 于 手 部关 节 的外 骨 骼 机器人 较为 稀少 。与 此 同 时 ，未恢 复手 部 运 动 能力 的患 者 的生活能 力也 无法 显 著 提 高 。 因此 ，本 文将 会 介 绍 一 种专 门 针 对 于 患 者 手 部 关 节 的 新 型 康 复 机 器 人 ｚ — ｈａｎｄ，该机 器人 对于 不 同尺寸 的手具有 较 强 的适 用 性 ，可 通过 电机 分别 驱动 腕关 节 及 手部 各 关 节 ，并 依 靠 各关 节 的运 动刺 激相 应 的皮 层来 帮助 患者恢 复 。在整个 治 疗过 程 中 ，针 对不 同 的恢 复 阶段 ，Ｚ—ｈａｎｄ有 三 种不 同的 治疗 策 略 。 １ Ｚ—ｈａｎｄ的机械 结构分 析 １．１ 手部的姿态分析
计量 与测试技 术Ｊ》２０１６ 丰第４３卷 ｇ２ 期
一 种 新 型 手 部 康 复 机 器 人 的 设 计 与 研 究
詹 文聪 蒋 蓁
（上海 大学 （延 长 校 区 ）精 密 机 械 工 程 系 ，上 海 ２０００７２）
摘 要 ：随着脑中风现象 的逐渐频繁 ，其术后的手部运动功能障碍问题也越发地 受到重视。专家们普遍认 为通过有 目的的训 练以刺激皮 质层重组 助于运
手 指 协 调 训 练 。
关键词 ：脑 中风 ；手部 康复 ；外骨骼机器人 ；治疗策 略
中 图分 类 号 ：ＴＰ２４
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
文 献标 识码 ：Ａ
国家 标 准 学 科 分 类 代 码 ：４６０．４０２５
ＤＯＩ：１０．１５９８８／ｉ．ｃｎｋｉ．１００４ —６９４１．２０１６．０２．００２
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｈａｎｄ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｒｏｂｏｔ
基 金 项 目 ：国家 自然 基 金 （６７１２１５。６１４３３１０６）资 助 项 目 收 稿 日期 ：２０１５—０９—２８
手是 人体 的重 要器 官 ，在 日常 生 活 中有 着 举 足轻 重 的地位 。 因此 脑 中风手术 所 引发 的因 中枢 神经 损伤 而导 致 的手部运动功能障碍必然会给患者的 日常生活带来巨 大 的不便 。 目前针 对 于这 种 致 残 现象 ，国 内外 专 家 提 出 了一种 名 为感 觉 运动 康 复疗 法 （Ｓｅｎｓｏｒｉｍｏｔｏｒ Ｔｈｅｒａｐｙ）的 治疗方案 ，即通 过重 复而高强 度 的训 练 以刺 激皮 质层 的重 组 ，并加强患肢的习得眭应用，借此帮助患者恢复运动功能。
神经元 获取 来 自大脑 的神经 信 号 进 而 驱动 相 应 的关 节 ， 可 帮助佩戴 者完 成站 立 、步 行 、抓 握等 动作 。
由瑞 士 Ｈｏｅｏｍａ医 疗 工 程 公 司 和 Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｈｏｓｐｉｔａｌ Ｂａｌｇｒｉｓｔ合作研 发 的 ＡＲＭｉｎ手 臂 是专 门针 对 上肢 康 复 的 外骨 骼机器 人 ，为 了让安 装 误 差 不 给相 应 的 肢体 带 来 压 力 ，它采 用不完 全 的外 附系统 。此外 ，该机 器人 还配 备 了 丰富的力传感器和位置传感器 ，拥有一个多媒体设备 ，依 靠 各传感 的反 馈来 制定 出多 种 治疗 策 略 ，并 在 多 媒体 所 显 示 的图像声 音 的辅 助下 ，提 高 患 者 的 主观 能 动 性 其更 好 地参 与进来 。
Ｚｈａｎ Ｗｅｎｃｏｎｇ Ｊｉａｎｇ Ｚｈｅｎ
０ 引 言 脑 中风 是 当下成 年 人 的主 要 死 亡 因素 之 一 ，也 是 成
年人残 疾 的主要 原 因之 一 。据 统 计 ，美 国每 年会 发 生 多 于 ８０万 起 的脑 中风 事 件 ；中 国每 年 的患 病 人 数 为 （６— ７００）万 ，新发 病人数 大约 １５０万 。 随着 老 龄化 现 象 的 Ｅｔ 益加 重 以及人类 平 均 寿命 的增 加 ，脑 中风 发 病率 还 会 继 续提 高 。近年来 医疗 技术 的飞 速发展 使 中风患者 的存 活 率达 到 ６０～７５％ ，但 是存 活 的患者 中有 ８０％会 出现上 肢 或下肢功能缺失。总而言之 ，脑 中风存在着高发病率 、高 死 亡率 以及 高致残 率 的三高现 象 。
动功能的恢 复。为了得到更好的治疗效果 ，近年来机器人技术被引入该领域 。本文详细阐述了一种新型手部康复机器人 Ｚ—ｈａｎｄ，重点介绍 了该 机器人的
外骨骼手指部分 、外骨骼掌背部分以及驱动部分 的结构 ，同时也介绍了该机器人 分别 针对不 同恢复 阶段的三种治疗策略 ：被 动式训练 、单手 指训练 以及多