一种新型上肢康复机器人设计与分析

作者简介 ： 李志华 （９ ６一）， ， １６ 男 江西 吉安人 ， 州电子科 技大学副教授 ， １’ 杭 博：．主婴｛ 究方 向为机器人结构与运动控制 、 ｉ ｊ 『 多领域建模 与仿真 。
２ 新 型上 肢 康 复机 器 人
２ １ 结 构 设 计 ．
在 分 析现有 康 复机器 人 系统不 足 的基 础上 ， 设
和谐波齿轮传动 ， 有效地降低了机械臂的质量并保 证 了传 动 的零 回差 ， 但肩 关 节 的 ３个 自由度结 构 较
收 稿 Hale Waihona Puke Baidu期 ：０ １—１ ２ ２１ ２— ９
计 了一 种新 型上 肢康 复机 器 人 （ 图 １ 示 ） 如 所 。根
据人体解剖学理论 ， 从康复运动 的实际出发 ， 选择
基 金 项 目 ： 江 省 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（ １０ ０ ） 浙 江 省 重 大 国 际 合作 项 『（ ０９ １０ ３ 浙 Ｙ１０９ １ ； ｛ ２０ Ｃ ４ １ ）
控 制 ， 配 有相 应 的 安 全 机 构 ， 者 根 据 自身 情 况 并 患
ｃｉ ｉｈｒ 等人开发了气动式连杆上肢康复支撑 ｈ Ｋｒ ａ ｉ ａ 设备 Ｊ该装 置 具有 ２种康 复 模 式 ： 是 肌 肉 的恢 ， 一
复 和运动 范 围的扩 张模式 ； 是 Ｅ常功 能 的恢 复模 二 ｔ
摘 要 ： 对现 有康 复机 器人 系统 的 不 足 ， 针 设计 了一种 新 型 ３个 自由度 上肢 康 复 机 器 人 结 构 ， 用 采
Ｄ ｎｖ — ａ ｅｂｒ（ Ｈ 方法建立了机 器人运动 学模型 ， ｅａｉ Ｈ ｒ ｎ ｅ Ｄ— ） ｔ ｔ ｇ 并分别进行 了正运动 学和逆运动 学
间 ， 尔 滨 工 程 大 学 也 开 发 出 手 臂 康 复 机 器 哈 人 ｊ但 它 属于末 端执 行器 式 。 ，
定 义 在 日常 生活 活动 中 ， 上肢 的运 动学 、 力学 ， 动 工
作 空 间 分析 ， 关节 运 动范 围 ， 联 合 考 虑 了上 肢 生 并
理 学 和解 剖学 。该 结 构具 有低 惯量 、 刚性 和零 回 高 差 的特 点 ， 但线 缆 的 张紧机 构 比较 复杂且 庞 大 。 同 年 ， 里 兰 大学 的 Ｍｉｈ ｅ Ｓ ｏ ｉ ｋ 马 ｃ ａｌ ｃｔ Ｌｓ ａ等人 开 发 了 ｔ ｚ ５个 自由度 上肢 康复 机器 人 ， 用 直 流无 刷 电机 采
中 图分类 号 ： Ｐ ７ Ｔ ２４ 文献标 识 码 ： Ａ 文章 编号 ：６ ２— ６ ６ ２ １ ） ５— ０ ７— ５ １７ １ １ （０ ２ １ ０ ４ ０
据统计 ， 脑血管病居人 口死 亡致 因第二位 ， 对
脑血 管病 偏 瘫后 遗 症 患 者 的 治疗 和 康 复 显得 异 常
式 。气 动 驱动 装置简 单 、 轻便 ， 使用 安全 ， 由于空 但 气 具 有可压 缩性 ， 动执 行元 件 的速度受 负载 变化 气
的影 响较 大 ， 位 精度 低 ； 定 此外 气 源 的噪 声也 是 一
个 问题 。
国 内在 这方 面 的研 究 工 作 也在 有 条 不紊 的进 行 中 ，０４年清 华 大学 研 制 了 二 连 杆 机 构 的 康 复 ２０
・
现 代设 计 与先 进制 造技 术 ・
李 志华 梁 朝 孔 万增 一 种新 型上肢 康 复机器 人 ……
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一
种 新 型 上肢 康 复 机器 人 设 计 与分 析
李 志华 ， 梁 朝 ， 万增 孔
３０ １ ） １０ ８ （ 州 电子科 技 大学 机 械工 程学 院 ， 杭 浙江 杭 州
分 析 ， 用 Ｍａ ａ 应 ｔ ｂ和 Ａ Ａ ｌ Ｄ ＭＳ软件 分 别 从 理 论 计 算 和 三 维模 型 仿 真 方 面 对该 机 械 结 构进 行 了位
移、 速度 和加 速 度 的分析 和 比较 ， 仿真 结果 和样 机 的 实验 结 果证 实了设 计 的可行 性 。 关键 词 ： 上肢 ； 复机 器人 ； 动 学模 型 ； 真 康 运 仿
装 置 Ｊ 患者 握住机 构 末 端 手柄 ， 肢可 在 水 平 面 ， 患 上 完成 平面 复合运 动 ， 装 置具有 主动 、 动 、 力 该 被 助
调节 运 动 参 数 ， 现 符 合 自身 的 最 佳 训 练 。近 年 实
来， 国内外 的研 究机 构在 这 方 面的研 究取 得 了一 系
ＣＡＤＥＮ 一７¨
，
研制 出基 于 Ｓ ＭＧ信 号 的外 骨 骼 上 肢 康 复 机 器 Ｅ
人 ， 它采 用外 骨 骼 式 双边 结 构 ， 保证 刚 度 的 在
设 计 是 基 于 一 个 数 据 库 ， 数 据 库 该
前提下 ， 有效地降低了系统 的质量 ， 但相对于外骨 骼式 单 边 结 构 ， 运 动 可 靠 性 略 显 不 足 。在 此 期 其
列 成果 。
和 阻抗 等模 式 。但 它属 于末 端执 行器 式 ， 引力 无 牵
法 直接施 加 于上 肢 其 他关 节 ， 用 力 不 均衡 ， 易 作 容 对手 或腕 部造 成伤 害 。哈尔 滨工 业大 学于 ２ ０ ０ ８年
１ 上 肢 康 复机 器 人 的 发展 与 分 析
２０ ０ ６年 华盛 顿 大 学 的 Ｊｅ Ｃ ｅ ｙ等 人 研 制 ｏｌ ．Ｐ ｒ ｒ 了 ７ 个 自 由 度 线 缆 驱 动 外 骨 骼 上 肢 机 器 人
为 复杂 。２ １ 日本 Ａ ｉ ｒ ｅｔｒ 大学 的 Ｋ ｉ ０ ０年 ｋｔ Ｐｅ ｃｕａ ａ ｆ ｌ ｏ ．
迫切和重要 。临床康复中， 康复医师通常以徒手或 借助机械器具对患肢进行一对一的连续被动训练 ， 康 复 师劳 动 强 度 大 ， 练 的 强 度 和 持 续 性 难 以 保 训 证 ， 者 参 与意识 低 。在康 复 医学 中引入机 器人 技 患 术来帮助医师完成康复训练任务 ， 就产生了康复机 器 人 系 统 。它 融 合 了医学 、 械学 、 息 与计 算 机 机 信 科学 、 生物学以及机器人学等诸 多学科 ， 是当今国 内外 研 究 的重 点 技 术 领 域 。康 复 机 器 人 由计 算 机