三自由度上肢康复机器人的研制

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我国已步入人口老龄化国家的行列,现在老龄人口的增幅正“跑步前进”,老年群体的日常照顾需求也日益增长。对于老年群体来说,脑卒中(又名中风)是威胁身体健康的第一杀手,这种疾病致死、致残率很高,会造成患者肢体运动功能障碍,尤其是上肢运动功能的丧失。临床研究表明,尽早进行康复训练可以明显恢复和提高患者的运动功能。在中风患者的康复训练中应用机器人辅助治疗技术越来越得到国内外研究人员的重视,康复训练机器人技术已经发展成研究的热门课题。  针对目前我国康复医师与康复医疗设备短缺的现状,本文结合理论与实践,根据国内外康复机器人的研究现状,确定了三自由度上肢康复机器人系统的实现方法和主要研究内容,从安全性指标入手,设计了机器人机械结构,并对其进行运动学仿真,设计了康复机器人控制系统包括控制电路设计与控制软件设计。最后对康复机器人进行实验研究,来验证其性能是否满足设计要求。具体工作如下:  1、康复机器人机械结构的设计。康复机器人的机械臂分为牵引机械臂与支撑机械臂两种,并且每种机械臂中采用连杆连接方式,两种机械臂末端固定在一起,来达到支撑机械臂跟随牵引机械臂进行运动的效果。采用SolidWorks软件对康复机器人模型中零件的设计与装配体的制作,并生成制作机构所需要的工程图,进行机构的实际加工。  2、康复机器人机构的运动学仿真。通过正运动学分析与逆运动学分析获得机器人末端位姿与康复机器人关节转角之间的关系方程。在SolidWorks软件中对机构模型进行运动仿真,验证康复机器人运动空间是否满足设计要求。  3、康复机器人控制系统的设计。康复机器人的控制系统采用两级CPU控制方式,上下位机通过串口进行通讯。硬件电路以微控制器STM32为核心,完成机器人中传感器信息采集与关节处电动机驱动的功能;控制软件分为客户端和服务器端,便于康复机器人实现远程控制功能,另外,在上位机控制软件中增加了使用OpenGL虚拟现实技术编写的康复训练游戏,提高患者康复训练效果。  4、康复机器人实验研究。设计了康复机器人辅助正常人康复训练的实验,对主被动训练模式分别进行研究,证明了康复机器人设计的可行性,满足设计要求。
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