基于心肺复苏用途的上肢外骨骼助力机器人仿真研究
7自由度外骨骼上肢康复机器人的肩部优化及运动仿真
7自由度外骨骼上肢康复机器人的肩部优化及运动仿真
刘佳俊;张欣波;谢银辉;李俊;林桂娟;弓清忠
【期刊名称】《机械传动》
【年(卷),期】2024(48)5
【摘要】针对上肢手臂运动障碍康复训练的需求,设计了一种7自由度外骨骼上肢康复机器人。
采用扁平电动机及谐波减速器驱动;优化了肩部结构,与传统结构相比,减少了肩部连杆机构45.97%的运动空间占比,提升了肩部结构刚度;通过D-H参数法对机器人正、逆运动学求解并验证;使用蒙特卡洛法分析机器人的工作空间,证明了结构设计的合理性;使用Matlab软件对机器人末端进行了运动轨迹仿真。
结果显示,在机器人运动过程中,各个关节的角位移、角速度及角加速度变化连续且平缓,验证了机器人设计的合理性和有效性,满足人体手臂康复训练要求。
【总页数】8页(P67-74)
【作者】刘佳俊;张欣波;谢银辉;李俊;林桂娟;弓清忠
【作者单位】厦门理工学院机械与汽车工程学院;中国科学院海西研究院泉州装备制造研究中心;龙岩市厦龙工程技术研究院;集美大学机械与能源工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.四自由度上肢康复机器人运动轨迹规划与仿真
2.一种六自由度上肢康复训练机器人运动学及工作空间仿真分析
3.三自由度上肢康复机器人运动学分析和运动轨迹
规划仿真4.一种新型7自由度上肢康复外骨骼机器人的结构设计和运动学仿真5.七自由度上肢外骨骼康复机器人设计与仿真
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于外骨骼的上肢康复机器人设计与研究
研究生签名：—诌耻 扣ｆ牛年’月巧日
硕士论文
基于外骨骼的上肢康复机器人设计与研究
ｓｕｐｉｎａｔｉｏｎ／ｐｒｏｎａｔｉｏｎ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｏｕｌｄｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｏｎ／ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｅｌｂｏｗ．
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｆｏｒｗａｒｄ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ ｉｎｖｅｒｓｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ
２外骨骼式Ｅ肢康复机器人总体方案设计………………………………………．１ ２
２．１手臂的解剖学知识分析……………………………………………………………．１２ ２。１。１人体解剖学基本知识…………………………………………………………１２ ２．１．２上肢关节及自由度分析………………………………………………………１３
摘要
随着人们生活工作节奏越来越快，手臂成了日常生活中运用最多也最容易受伤的肢 体。传统的人工物理疗法中，治疗师们劳动强度大且要求具有高度熟练技巧。康复机器 人旨在利用机器人原理，把智能控制与人体运动相结合，且能够承受高的工作强度。人 们借助康复机器人的标准化的重复运动，可以促进神经功能重塑，最终达到恢复患者运 动及控制能力的目的。基于这一应用背景，本课题在结合骨科康复医学的基础上研制了 一种能辅助人体手臂进行康复训练的外骨骼式上肢康复机器人。
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｗｏｒｋ ｐａｃｅ，ａｒｌｒｌｓ ｈａｖｅ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｂｕｓｉｅｓｔ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ ｌｉｍｂｓ．１１１ｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｔｈｅｒａｐｙ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｌｉｍｂｓ ｎｅｅｄｓ ｈｉｇＭｙ ｓｋｉｌｌｆｕｌ
人体下肢外骨骼康复机器人的仿真分析
人体下肢外骨骼康复机器人的仿真分析夏田;桓茜;陈宇;徐建林【期刊名称】《陕西科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(034)006【摘要】The kind of device of human lower limb exoskeleton rehabilitation robot is a kind of service robot ,w hich is designed to be used for assisting the life of old people and sufferer , based on the motor drive .By establishing the D‐H mathematical model of human walking posture ,the coordinate equations of hip joint ,knee joint and ankle joint are derived .Under the ADAMS environment ,the simulation results show that the joint s of the lower limb exo‐skeleton have a continuous trajectory in space , w hich can meet the motility of the joint movement ,and meet the motion characteristics of the human lower limb .A prototype test platform is set up to test the angle curve which changes with the cycle .The motion trajectory of the lower limb exoskeleton is verified ,and the experimental curves and the simulation curves are basically consistent .%采用电机驱动方式，设计出一种用于辅助老年人和患者生活的服务型机器人———人体下肢外骨骼康复机器人，通过建立人体行走姿态时的D‐H数学模型，推导出了髋关节、膝关节和踝关节行走姿态中的坐标方程。
一种外骨骼式康复机器人训练效果仿真
一种外骨骼式康复机器人训练效果仿真项忠霞;赵明;高飞;金腾;胡志刚;张健【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2016(049)007【摘要】In order to evaluatethe effectiveness ofexoskeletal rehabilitation robot for lower limbs’ training,the simulation research on rehabilitation training based on AnyBody was developed.The kinematics of an adult in normal walking was obtained by motion capture experiment.Then the human walking model and the human-machine model were established in AnyBody.Main muscle groups were determined on the forced conditions about the lower limb muscles.By Hill equations,musclecontraction velocitywas used as criterion.Through the simulation of the movement about the lower limb exoskeletal rehabilitation robot in the sagittal plane,the contraction velocitiesof cardinal muscles in lower limbswere obtained and they were compared in both simulation system and normal walking.Results show that the changing trend of thigh muscles was found similar in both cases,but the trend of shank and hip muscles was visi-bly different.As the structure of the exoskeletal rehabilitation robot was improved to achieve the movement in coronal plane,and by comparing the contraction velocities of cardinal muscles in two structures,the results show that the changing trend of hip muscles was obviouslyfluctuating.Therefore,the exoskeletal rehabilitation robot that achieves themovement in sagittal plane can train thigh muscles effectively,but lack effect on shank and hip muscles.By changing the exoskeleton structure through adding movement in coronal plane,the traning effect of hip musclesis improved.%针对外骨骼式下肢康复机器人训练有效性的问题，开展了基于人体生物力学软件AnyBody的康复训练仿真实验研究。
外骨骼上肢康复机器人的结构设计与仿真研究
外骨骼上肢康复机器人的结构设计与仿真研究孙超;苑明海;周灼;蔡仙仙【摘要】针对上肢轻度瘫痪患者自主进行康复理疗训练的问题,在深入了解传统康复训练的弊端和康复机器人所应具备性能的基础上,提出了一种可穿戴式的外骨骼上肢康复机器人设计方案.首先,从仿生学角度出发,对该康复机器人的整体机械结构进行了建模,并设计了3处长度调节固定机构;然后,对机器人各关节驱动力矩进行了理论分析与计算,通过模型动作编写了step函数,将函数与三维模型图导入Adams 进行了动力学仿真;得到了各关节的驱动力矩曲线图,再将其与理论计算结果作了对比分析;最后,对肩关节支撑板和大臂支撑板进行了强度分析.研究结果表明:该外骨骼上肢康复机器人结构设计方案具有较高可行性,能帮助患者实现康复训练.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2019(036)004【总页数】4页(P383-386)【关键词】结构设计;康复机器人;动力学仿真;强度分析【作者】孙超;苑明海;周灼;蔡仙仙【作者单位】河海大学机电工程学院,江苏常州213002;河海大学机电工程学院,江苏常州213002;河海大学机电工程学院,江苏常州213002;河海大学机电工程学院,江苏常州213002【正文语种】中文【中图分类】TH122;TP2420 引言目前，因脑血管疾病或神经系统疾病所引发的偏瘫等疾病，严重威胁着人类的生命安全[1]。
研究表明，偏瘫患者进行临床治疗后，再对其进行规律性的康复训练，能促进患者运动能力的恢复[2-3]。
但传统的一对一人工康复训练效率低、成本高，而且随着患者人数的增长，现有的康复训练师人数已经不能保证增长的医疗需求[4]。
故在此基础上，康复机器人便应运而生。
1991年，麻省理工学院研制了基于连杆结构的上肢康复机器人MIT-Manus[5]，经过长时间临床试验后发现，使用该机器人的患者恢复效果明显；美国亚利桑那州立大学研究发现，在其研发的上肢康复助力机器人RUPERT[6]的帮助下，患者脑部运动系统得到了重塑与恢复，运动机能明显改善。
基于外骨骼的可穿戴式上肢康复机器人设计与研究
基于外骨骼的可穿戴式上肢康复机器人设计与研究一、本文概述随着科技的快速发展和人口老龄化趋势的加剧，康复机器人的研究和应用日益受到重视。
在众多康复机器人中，基于外骨骼的可穿戴式上肢康复机器人因其独特的设计理念和实际应用价值，成为了康复工程领域的研究热点。
本文旨在探讨基于外骨骼的可穿戴式上肢康复机器人的设计与研究，通过对其结构、功能、控制策略等方面进行深入分析，以期为该领域的研究提供有益的参考和借鉴。
本文首先介绍了上肢康复机器人的研究背景和意义，阐述了其在康复治疗中的重要性和迫切性。
接着，综述了国内外在该领域的研究现状和发展趋势，分析了现有技术的优缺点和面临的挑战。
在此基础上，提出了一种基于外骨骼的可穿戴式上肢康复机器人的设计方案，并详细介绍了其机械结构、传感器配置、控制系统等方面的内容。
本文的重点在于研究该康复机器人的运动学特性、动力学模型以及控制策略。
通过建立合理的数学模型，分析了机器人在不同运动模式下的运动学和动力学特性，为后续的控制算法设计提供了理论基础。
同时，针对康复机器人的特点，提出了一种基于人机交互力感知的智能控制策略，实现了机器人在康复训练过程中的自适应调整和优化。
本文通过实验验证了所设计的康复机器人的可行性和有效性。
通过对比实验和数据分析，证明了该机器人在上肢康复训练中具有良好的辅助效果和康复效果，为临床康复治疗提供了新的可能性和选择。
本文的研究内容对于推动基于外骨骼的可穿戴式上肢康复机器人的发展具有重要的理论意义和实践价值。
希望通过本文的探讨和研究，能够为相关领域的研究者和实践者提供有益的参考和启示。
二、相关理论基础与技术外骨骼，又称作动力外骨骼或动力服，是一种可穿戴设备，旨在为穿戴者提供额外的力量或运动能力。
外骨骼通常由硬质的外部框架和一组动力机构组成，可以通过机械、液压或气压传动系统驱动。
外骨骼技术最初是为了军事和航空航天应用而开发的，旨在增强士兵或宇航员的负载能力和运动性能。
下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真
下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真一、本文概述随着医疗科技的快速发展，下肢康复外骨骼机器人作为一种新型康复设备，正日益受到研究者和医疗工作者的关注。
本文旨在对下肢康复外骨骼机器人的动力学特性进行深入分析，并通过仿真实验验证其理论分析的准确性。
文章首先介绍了下肢康复外骨骼机器人的研究背景和应用意义，阐述了其动力学分析的重要性。
随后，本文详细阐述了下肢康复外骨骼机器人的动力学建模过程，包括机器人的运动学模型、动力学模型以及控制模型的建立。
在建模过程中，考虑了机器人的结构特点、运动规律以及人机交互等因素，确保了模型的准确性和实用性。
在完成动力学建模后，本文利用仿真软件对下肢康复外骨骼机器人的动力学特性进行了仿真实验。
仿真实验包括了机器人在不同运动状态下的动力学响应、人机交互过程中的力传递特性以及控制策略的有效性等方面。
通过仿真实验，本文验证了动力学模型的正确性，并为后续的实物实验提供了理论支持。
本文总结了下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真的主要研究成果，并指出了未来研究方向。
通过本文的研究，不仅有助于深入理解下肢康复外骨骼机器人的动力学特性，还为优化机器人设计、提高康复效果以及推动医疗康复领域的发展提供了有益的参考。
二、下肢康复外骨骼机器人概述下肢康复外骨骼机器人是一种辅助人体下肢运动，帮助进行康复训练的先进医疗设备。
这种机器人通过精密的机械结构和智能控制系统，能够实时地感知并适应穿戴者的运动意图，提供必要的助力或阻力，以达到改善运动功能、增强肌肉力量、促进神经恢复等康复目标。
下肢康复外骨骼机器人通常由支架、传感器、执行器、控制系统等部分组成。
支架负责支撑和保护穿戴者的下肢，同时提供运动的轨迹和范围。
传感器则负责实时感知穿戴者的运动状态、肌肉力量、姿态等信息，为控制系统提供决策依据。
执行器则根据控制系统的指令，驱动机械结构产生相应的动作，提供助力或阻力。
在动力学分析方面，下肢康复外骨骼机器人需要考虑穿戴者的运动学特性和动力学特性，以及机器人自身的机械特性、控制特性等因素。
六自由度外骨骼式上肢康复机器人设计
六自由度外骨骼式上肢康复机器人设计一、概述随着现代医疗技术的不断进步，康复机器人已成为辅助患者恢复肢体功能的重要工具。
六自由度外骨骼式上肢康复机器人作为一种先进的康复设备，旨在通过模拟人体上肢运动，帮助患者实现精准、高效的康复训练。
本文将对六自由度外骨骼式上肢康复机器人的设计进行详细介绍，包括其结构组成、工作原理、控制策略以及临床应用等方面的内容。
六自由度外骨骼式上肢康复机器人是一种可穿戴式的康复设备，能够紧密贴合患者上肢，通过精确控制各关节的运动，实现上肢的全方位康复训练。
该机器人具有六个自由度，可模拟人体上肢的各种复杂运动，为患者提供个性化的康复训练方案。
机器人还配备了智能传感系统，能够实时监测患者的运动状态，为医生提供精准的康复数据，从而优化康复治疗方案。
在结构组成方面，六自由度外骨骼式上肢康复机器人主要包括机械臂、驱动系统、传感系统以及控制系统等部分。
机械臂采用轻质材料制成，具有良好的穿戴舒适性和运动灵活性；驱动系统采用高精度电机，可实现精确、快速的运动控制；传感系统包括多个角度传感器和力传感器，能够实时监测机械臂和患者上肢的运动状态和交互力；控制系统则负责整合传感数据，实现机器人的运动规划和控制。
六自由度外骨骼式上肢康复机器人作为一种先进的康复设备，具有广泛的应用前景和市场需求。
本文旨在通过对该机器人设计的详细介绍，为相关领域的研究人员和技术人员提供参考和借鉴，推动康复机器人技术的不断发展和创新。
1. 上肢康复机器人的研究背景与意义随着人口老龄化的加剧以及各类事故、疾病对人们身体健康的威胁日益显著，上肢功能障碍患者数量呈现出逐年上升的趋势。
这些障碍往往由中风、外伤、神经系统疾病等多种原因引起，严重影响了患者的日常生活和工作能力，给个人、家庭和社会带来了沉重的负担。
寻求一种高效、安全的上肢康复治疗方法显得尤为重要。
在此背景下，上肢康复机器人的研究与应用应运而生，成为了医疗康复领域的重要发展方向。
上肢镜像康复外骨骼的结构设计与仿真研究
0 引言偏瘫这种疾病严重危害现代人的生活行动，健全的双手在一个人的生活中占有极其重要的地位［1-3］。
偏瘫患者通过压手掌，手指张开对抗屈肌，重心移向患侧等训练，能有效缓解伸肌痉挛。
牵伸小臂屈肌，挤压肩关节等训练桶激活关节内感受器，促进患肢感觉［4-5］。
传统的康复治疗，治疗师技术水平的差异，会直接影响患者的康复效果。
患者能不能持续开展枯燥的康复训练，效果会大打折扣。
利用本上肢康复外骨骼可以很好的弥补传统康复治疗的缺点，能根据患者不同情况制定各种不同难易程度的训练，提升患者的康复积极性［6-8］。
本研究设计的上肢康复镜像外骨骼可以镜像实现患肢五指肌肉及手臂的被动和主动镜像运动训练，具有成本低、操作简单、实用性强等优点，适合医院和家庭使用。
能显著提高患者的自主康复训练积极性及治疗效果。
1 上肢康复外骨骼结构设计本文设计的外骨骼从功能上可分为三大模块：健侧驱动部分、线驱动电控部分、患侧被动康复模块。
从结构上又可分为三大机构：手指康复机构、手臂康复机构、穿戴调节机构。
机构整体如图1所示。
依据中国《中国成年人体(GB/T10000-1988)》，根据可调节长度满足90%中国成年人穿戴的设计原则，本文设计的外骨骼上肢康复机器人基本结构参数如表1所示。
表1 为外骨骼式上肢康复机器人基本结构参数项目参数手指调节长度/mm 62～103手腕调节角度/°-15°～+15°手部调节长度/mm 21～55两臂调节长度/mm 270～345双肩可调距离/mm 321～561舵机驱动扭矩/（kg/cm）15scheme for upper limb mirror rehabilitation exoskeleton structure, which can compensate for the lack of active movement of patients by implementing continuous passive movement. The mechanism design has two control forms: manual control of the mirror to pull the upper limb joints to stimulate the hand muscles; single-chip microcomputer control uses the steering gear to achieve training. A three-dimensional model of exoskeleton was constructed from the perspective of pathological rehabilitation of the affected limb. Adams simulation software was used to implement the dynamic simulation of the upper limb movement experiment of the mechanism, and the comparative analysis of its trajectory, acceleration, moment, angular velocity, etc. was verified by this. The feasibility of the mechanism design and control method, and the experimental results verify that the exoskeleton can achieve the expected motion well.Keywords: upper limb rehabilitation; mirror rehabilitation; rope drive; exoskeleton; Adams; hemiplegia treatment基金项目：国家级大学生创新创业项目（201910350001）；浙江省新苗人才计划（2019R436023）。
上肢外骨骼康复机器人运动控制系统设计
上肢外骨骼康复机器人运动控制系统设计上肢外骨骼康复机器人运动控制系统设计摘要：近年来，随着人口老龄化的加剧，上肢功能障碍患者越来越多，因此开发上肢外骨骼康复机器人成为一个热门领域。
本文基于对上肢外骨骼康复机器人的结构和工作原理的研究，设计了一种运动控制系统。
该系统包括外骨骼驱动系统、控制器和传感器等部件，通过对各个部件的设计和组合，实现了对上肢外骨骼机器人的精确控制。
实验结果表明，该控制系统能够有效地帮助患者恢复上肢功能。
一、引言上肢功能障碍是一种常见的康复问题，严重影响了患者的生活质量。
传统的康复方法主要依赖于医护人员的帮助，效果有限。
为了解决这一问题，研究人员开始开发上肢外骨骼康复机器人，利用机器人的力量帮助患者恢复上肢功能。
然而，上肢外骨骼康复机器人的运动控制是一个复杂的问题，需要设计合理、精确的控制系统。
二、上肢外骨骼康复机器人的结构和工作原理上肢外骨骼康复机器人主要由机械结构、驱动系统、传感器和控制系统等组成。
机械结构包括手臂支撑和连接装置，用于支撑机器人和连接外骨骼。
驱动系统主要通过电动机驱动机械臂的运动，为患者提供外力。
传感器用于检测患者的动作和力度，以便改变机器人的运动。
控制系统则根据传感器的反馈信号，调整外骨骼机械臂的运动参数，实现对患者上肢的精确控制。
三、运动控制系统的设计1. 外骨骼驱动系统的设计外骨骼驱动系统是上肢外骨骼康复机器人的核心组成部分。
我们选择了直流无刷电机作为驱动电机，采用串级PID控制算法以实现对机械臂运动的精确控制。
控制器利用反馈控制的方法，根据位移、速度和力传感器的反馈信号对驱动电机进行控制。
2. 控制器的设计控制器是运动控制系统的关键部分，它负责接收并处理传感器的反馈信号，并通过控制信号来驱动驱动电机。
我们采用了单片机作为控制器的核心，利用PID控制算法对机械臂的运动进行控制。
同时，为了提高控制的稳定性，我们还设计了滤波器和反馈补偿器等辅助模块。
3. 传感器的设计传感器用于检测患者的动作和力度等信息，是运动控制的基础。