外骨骼康复机械手的设计研究

发布时间：2019-11-19 16:24

【摘要】：手是人类探索自然奥秘最重要的工具,手部运动障碍会极大的影响人们的生活,针对目前手部康复治疗设备存在的诸多问题,本文设计研发了用于帮助手部运动障碍患者康复的外骨骼康复机械手,使患者的手指能够在外骨骼机构的带动下进行被动的屈曲和伸展训练,旨在帮助患者保持肌肉力量、防止肌肉萎缩,最终促进手部运动神经系统的康复。本文在国内外研究的基础上对外骨骼康复机械手进行了如下的研究工作：①本文首先研究分析了人手骨骼和关节的解剖学结构及其运动特点,提出了手部骨骼的机构运动模型,并建立了示指的正运动学和逆运动学模型；②根据人手解剖学结构以及肌肉肌腱的生物力学特性,建立了示指的骨骼肌肉肌腱动力学模型；③出于对外骨骼机械手安全性的考虑,本文在示指运动学和动力学模型的基础上提出一种外骨骼欠驱动机构,根据手指指尖运动轨迹测量实验的数据以及相关国家人体尺寸标准,最终设计计算了外骨骼康复机械手的结构尺寸并建立了其虚拟样机模型；④利用多体动力学分析软件ADAMS对外骨骼康复机械手虚拟样机模型和骨骼肌肉肌腱动力学模型进行了联合仿真分析,详细分析了外骨骼康复机械手在不同运动模式下外骨骼与人体肌肉肌腱之间的相互作用情况,分析了不同运动模式对手指肌肉训练强度的影响；⑤在外骨骼康复机械手虚拟样机的基础上设计制作了其物理样机模型,物理样机模型主要包括机械系统和控制系统。外骨骼康复机械手的控制系统又分为下位机控制系统和上位机测控系统,下位机控制系统的核心处理器采用飞思卡尔公司生产的16位单片机MC9S12XS128,主要负责控制外骨骼机械手各个驱动器的运动,负责检测外骨骼康复机械手数据手套的传感器信号,还负责与PC上位机系统进行实时通信。外骨骼康复机械手上位机测控系统利用美国NI公司的LabVIEW编写程序和界面,上位机测控系统主要负责实时控制、接收、显示和存储下位机发送来的传感器数据,上位机测控系统是实现人机交互的重要平台；⑥开展了外骨骼康复机械手的实验研究。实验结果与虚拟样机仿真结果较为接近,验证了虚拟样机模型和外骨骼康复机械手设计的正确性,此外,也发现了外骨骼机械手存在的一些设计问题,根据实验和仿真的数据分析了问题的原因,为今后外骨骼康复机械手的进一步研究改进提供了依据。
【图文】：

腿膝盖Ｗ下（包括膝盖）的部位，下肢伤残的患者中大约９０％术后将要面临截肢逡逑的不幸。上肢伤残的患者大多因为操作机器时不慎被机器卷入，造成上肢截肢或逡逑者偏痛，图１．１位其中一位患者的受伤手臂。逡逑＇逦＊逦４逡逑．＇．Ｖ逡逑图１．１上巧神经系统损伤逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｕｐｐｅｒ邋ｌｉｍｂ邋ｎｅｕｒｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｄａｍａｇｅ逡逑该患者虽然保住了手臂，但仍然存在大面积的骨折，造成手和手臂神经系统逡逑的严重损伤。该患者刚做完手术，手臂上使用钢条进行固定，帮助断裂的骨头自逡逑我修复，患者的手部呈现屈曲状态，不能自主的控制手指的伸展和弯曲，，患者感逡逑觉手臂和手的皮肤仿佛。卖厚＂了，如同带了手套一般，患者不能跟随自己的意识逡逑进行动作，这种病因是由于手臂的神经系统损伤，大脑发出的生物电信号不能传逡逑４逡逑

Ｆｉｇ．邋１．２邋ｓＥＭＧ邋Ｂｉｏ邋ｆｅｅｄｂａｃｋ邋ＦＥＳＰｉ］逡逑功能电刺激室主要采用一台生物反馈功能电刺激仪（ｓＥＭＧ邋Ｂｉｏｆｅｅｄｂａｃｋ邋ＦＥＳ）逡逑进行治疗，如图１．２所示。逡逑＾

本文编号：2563147