3自由度并联前肢康复机器人的设计与试验

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脑卒中的发病率逐年提高,脑卒中之后经常会遗留下人体肢体的功能性障碍—偏瘫。目前我国脑卒中病人的康复训练以医师人工辅助为主,近年来也出现了一些新型的上肢医疗康复机器人。国外目前已经研发出了一些较为成熟的医疗康复机器人,并且在临床上得到一定应用。我国的上肢康复机器人目前还处于研发的初级阶段,成熟的产品不多,大多处于原理样机阶段且结构较为复杂。因而,研究上肢康复机器人,尤其前肢康复机器人具有重要的研究意义及巨大的市场应用前景。  本文设计了一款3自由度并联式外骨骼前肢康复机器人来支持偏瘫患者进行前肢的康复训练研究。在康复治疗师针对患者需要进行康复训练治疗的前肢部位制定好康复训练治疗方案基础上,采用前肢康复机器人对患者进行前肢康复训练。  本文主要针对以下几个内容进行研究:  首先,详细深入的了解国内外康复机器人的发展现状以及脑卒中患者的康复机理。结合目前的研究现状以及康复理论提出研制一款新型的3自由度并联式外骨骼前肢康复机器人,前肢小臂的旋转、腕部的屈/伸运动和外展/内收运动。  其次,针对人体前肢的生理结构特点进行了简明阐述,分析了各个结构关节之间的联系与运动特点,根据设计要求以及康复的安全性要求,完成了各个方案设计,如驱动方案、传动方案、电机选择等。  然后,针对设计的3自由度并联式外骨骼康复机器人进行了运动学分析,完成了该前肢康复机器人的运动学求解和分析;并且利用ADAMS软件对其动力学进行了相关的仿真分析;对人体的骨骼及关节进行一系列模型简化,在利用ADAMS软件进行动力学仿真的时候,根据不同的工况下进行动力学仿真,得到相关的数值,为接下来的电机和减速机的选择或者筛选提供了一定的参考性依据。  接着,采用数值搜索的方法进行其可达工作空间的求解和奇异位形的分析,可达工作空间是手柄末端所能达到的所有点的集合区域。  最后,加工试制了一台3自由度外骨骼前肢并联康复机器人原理样机,并进行了一系列的试验探究。运动学试验的曲线结果显示与理论计算以及相应的仿真结果相一致,为进一步的动力学分析及复杂控制打下了基础,也进一步地验证了该原理样机的设计方案的可行性。
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