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上肢康复机器人含三维PROE及CAD图纸 上肢 骨骼 康复 痊愈 机器人 肘关节 机械 系统 设计 三维 proe cad 图纸
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I摘要上 肢 康 复 机 器 人 是 医 疗 机 器 人 的 一 个 重 要 分 支 , 它 以 偏 瘫 脑 卒 中 病 人 运 动 疗 法 中 的 运 动 再 学 习 理 论 为 基 础 , 融 合 了 医 学 、 生 物 学 、 机 械 学 、 信 息 与 计 算 机 科 学 等 诸 多 学 科 , 是 目 前 国 内 外 的 研 究 热 点 。 本 文 对 上 肢 康 复 机 器 人 系 统 的 总 体 设 计 、 运 动 学 分 析 、 运 动 控 制 系 统 、 机 器 人 样 机 及 实 验 等 进 行 了 研 究 和 开 发 , 为 该 领 域 产 品 设 计 奠 定 理 论 基 础 、 提 供 技 术 支 撑 。 论 文 结 合 上 肢 解 剖 学 和 运 动 治 疗 理 论 , 从 安 全 性 、 仿 生 学 、 外 骨 骼 材 质 、 训 练 任 务 、 安 装 使 用 等 几 个 方 面 总 结 出 上 肢 康 复 机 器 人 的 设 计 要 求 ;在 此 基 础 上 , 设 计 出 了 轻 型 、 运 动 可 靠 的 上 肢 外 骨 骼 康 复 机 器 人 肘 关 节 机 械 系 统 , 并 详 细 介 绍 了 康 复 机 器 人 系 统 的 机 械 本 体 和 控 制 策 略 。 关键词:上肢康复机器人,运动学分析,运动控制系统IIABSTRACTAs an important branch of medical robot, the rehabilitation training robot for stroke hemiplegic patients is a hot research topic both at home and abroad. Based on motor relearning theory, it combines many technology fields such as medicine, biology, mechanics, information & computer science, etc. This thesis makes researches on system design , kinematic analysis , motion control system , prototype and experiment, and lies the foundation for further theoretical research and provides technical supportings.Taking safety, bionics, exoskeleton material, training mission and installation use into consideration , the design rules for upper limb rehabilitation robot are proposed on basis of human upper limb anatomy and motion rehabilitation theory. Under the guidance of rules, a novel exoskeletal upper limb rehabilitation robot for patients in light and movement reliable is developed.The mechanical structure , control strategies of the rehabilitation system are also introduced.Keywords: Upper limb rehabilitation robot, Kinematic analysis, Motion control systemIII目录摘要.IABSTRACT.II第 1 章 绪论.11.1 研究背景及意义.11.2 上肢康复医疗机器人的国内外发展现状.21.3 肘关节.31.3.1 上肢外骨骼自由度分析.31.3.2 肘关节结构.41.3.3 肘关节的运动及参数.41.4 外骨骼机械设计.51.4.1 结构设计.51.4.2 驱动系统种类及各优缺点.61.4.3 能源.71.4.4 举例比较.71.5 控制系统.81.6 上肢康复机器人康复训练策略关键技术综述.111.7 发展前景.12第 2 章 外骨路式机器人上肢康复肘关节方案设计.132.1 上肢生理特点与康复治疗方法.132.1.1 手臂的生理结构特点.132.1.2 复治疗方法.142.2 机器人上肢康复系统构建.152.3 肘关节系统方案.16第 3 章 肘关节机械系统设计.173.1 机构驱动方案.173.2 机构运动方式.183.3 机构方案.183.4 零部件具体设计.193.3.1 上臂.193.3.2 下臂.203.3.3 拉杆.223.3.4 装配图.22第 4 章 系统运动仿真及有限元分析.244.1 运动仿真.244.1.1 机构组装.244.1.2 机构设置.254.1.3 运动分析.274.2 有限元分析.284.2.1 创建模型.294.2.2 建立分析模型.29IV4.2.3 结构分析.34第五章 系统控制策略.455.1 表面肌电信号的产生机理与特点.455.2 基于 sEMG 信号的上肢康复机器人控制策略.475.2.1 上肢康复训练动作目标集设计.475.2.2 表面肌电电极的布置与信号采集.475.2.3 基于 sEMG 动作辨识的自主性被动训练方案.48致谢.50参考文献.511第 1 章 绪论1.1 研究背景及意义随着我 国 老 龄 化 的 加 剧 , 伴 随 老 龄 化 过 程 中 明 显 的 生 理 衰 退 就 是 四 肢 的 灵 活 性 不 断 下 降 , 而 在 老 龄 人 群 中 有 大 量 有 脑 血 管 疾 病 或 神 经 系 统 疾 病 患 者 , 这 些 患 者 又 大 都 伴 有 偏 瘫 症 状 , 对 日 常 生 活 产 生 了 种 种 不 利 的 影 响 。 手 臂 是 日 常 生 活 中 运 用 最 多 也 最 容 易 受 伤 的 肢 体 , 治 疗 时 通 常 运 用 一 定 物 理 疗 法 以 辅 助 药 物 治 疗 。 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 。 而 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 , 以 代 替 人 工 进 行 康 复 训 练 , 其 能 够 承 受 的 工 作 强 度 高 , 促 进 神 经 功 能 重 塑 , 恢 复 患 者 运 动 及 控 制 能 力 的 目 的 。 目 前 患 者 的 治 疗 主 要 依 赖 于 治 疗 师 的 一 对 一 的 徒 手 训 练 , 这 种 方 法 不 仅 费 时 费 力 , 而 且 也 缺 乏 量 化 的 客 观 评 价 , 不 能 够 实 时 监 测 治 疗 效 果 。 为 解 决 这 些 康 复 训 练 过 程 中 出 现 的 问 题 , 需 要 安 全 、 定 量 、 有 效 及 可 进 行 重 复 训 练 的 新 技 术 , 因 此 机 器 人 辅 助 训 练 技 术 在 这 种 背 景 下 应 运 而 生 。 将 虚 拟 现 实 和 外 骨 骼 技 术 引 入 到 肢 体 的 康 复 工 程 , 根 据 康 复 医 学 的 运 动 疗 法 和 作 业 疗 法 , 为 上 肢 残 疾 患 者 研 制 出 手 臂 外 骨 骼 康 复 系 统 , 实 现 了 手 臂 的 运 动 控 制 , 并 构 建 了 虚 拟 环 境 仿 真 平 台 1。 借 助 于 触 觉 感 知 接 口 的 力 反 馈 作 用 可 以 使 患 者 感 觉 到 手 臂 受 到 的 作 用 力 。 提 出 手 臂 功 能 康 复 测 评 方 法 , 并 建 立 患 者 康 复 病 案 数 据 库 。 手 臂 外 骨 骼 康 复 系 统 为 患 者 提 供 有 效 的 肢 体 功 能 恢 复 的 工 具 。 2图 1.1 上 肢 康 复 机 器 人 1.2 上肢康复医疗机器人的国内外发展现状人 体 外 骨 骼 的 相 关 研 究 是 一 个 比 较 前 沿 的 领 域 , 目 前 世 界 科 技 强 国 包 括 美 国 、 日 本 、 法 国 和 俄 罗 斯 等 国 家 在 该 领 域 开 展 了 大 量 的 研 究 , 并 取 得 了 一 些 初 步 成 果 。 而 在 我 国 , 该 领 域 的 研 究 尚 处 于 起 步 阶 段 。 由 于 上 肢 康 复 机 器 人 系 统 具 有 如 此 多 的 优 点 , 因 而 随 着 目 前 机 器 人 技 术 、 先 进 控 制 技 术 、 计 算 机 技 术 、 传 感 技 术 、 生 物 医 学 、 人 工 智 能 技 术 等 的 发 展 , 康 复 机 器 人 技 术 也 在 近 几 年 获 得 了 很 大 进 步 , 成 为 机 器 人 领 域 与 康 复 医 学 领 域 的 研 究 热 点 上 肢 康 复 机 器 人 可 以 分 为 两 大 类 , 一 类 为 末 端 牵 引 式 康 复 机 器 人 系 统 , 另 一 类 为 外 骨 骼 式 康 复 机 器 人 系 统 末 端 牵 引 式 康 复 机 器 人 系 统 是 一 种 以 普 通 连 杆 机 构 或 串 联 机 器 人 机 构 为 主 体 机 构 , 使 机 器 人 末 端 与 患 者 手 臂 连 接 , 通 过 机 器 人 运 动 带 动 患 者 上 肢 运 动 来 达 到 康 复 训 练 目 的 的 机 械 系 统 机 器 人 系 统 与 患 者 相 对 独 立 , 仅 通 过 患 者 手 部 与 机 器 人 末 端 相 连 其 结 构 简 单 、 易 于 控 制 , 价 格 低 廉 2。 工 业 机 器 人 为 成 熟 产 品 , 整 个 系 统 可 靠 性 更 高 , 早 期 的 上 肢 康 复 机 器 人 系 统 大 都 为 此 种 系 统 美 国 麻 省 理 工 学 院 ( MIT) 的 Hogan 提 出 的 2-DOF( 自 由 度 ) 臂 平 面 康 复 机 器 人 系 统 MIT-MANUS, 具 有 一 定 的 重 力 补 偿 作 用 后 来 又 提 出 了 2-DOF 腕 关 节 康 复 机 器 人 , 与 臂 MIT-MANUS 结 合 形 成 了 完 整 的 系 统 , 可 以 实 现 4-DOF 的 康 复 运 动 , 并 已 经 开 始 应 用 于 临 床 治 疗 训 练 时 , MIT-MANUS 可 以 推 动 、 引 导 或 干 扰 患 者 上 肢 的 运 动 , 以 提 供 不 同 的 训 练 模 式 ; 可 以 采 集 位 置 、 速 度 、 力 等 信 息 以 供 分 析 ; 可 以 将 运 动 状 态 信 息 显 示 到 电 脑 屏 幕 上 为 患 者 提 供 视 觉 反 馈 美 国 斯 坦 福 大 学 研 制 了 基 于 PUMA500、 560 工 业 机 器 人 的 上 肢 康 复 机 器 人 系 统 MIME( mirror im-age motion enabler) , 可 以 辅 助 患 者 完 成 上 肢 患 侧 与 健 侧 的 镜 像 运 动 该 系 统 采 集 健 侧 上 肢 运 动 的 轨 迹 , 镜 像 到 患 侧 , 并 通 过 工 业 机 器 人 辅 助 患 侧 进 行 运 动 , 也 已 开 始 患 者 的 临 床 康 复 治 疗 2000 年 ,
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