HEBUT-AR3上肢康复机器人机构及控制系统研究
发布时间：2021-01-04 12:19
随着中国老龄人口数量逐渐增加,患神经系统疾病和心脑血管疾病的风险也越大,这类疾病会伴有不同程度的偏瘫症状。部分患者可通过后期康复治疗恢复运动能力,康复训练需要医护人员长时间辅助才能完成,为减少医护人员的工作强度,康复机器人的研究变得越来越广泛。在整个康复训练过程中,保护患者训练安全尤为重要。上肢在康复训练初期非常脆弱,很容易造成二次损伤,所以对康复机器人安全性提出更高的要求。为进一步提高患者训练安全性和HEBUT–AR2上肢康复机器人的运动性能,对HEBUT–AR2上肢康复机器人关键机构进行优化,并对控制系统做了深入地研究。本文首先提出了HEBUT–AR3上肢康复机器人关键机构的优化方案。采用绳轮传动机构,解决原链轮传动机构中链轮与链条负载过大,产生跳齿现象,分析了传动机构中绳轮和钢丝绳负载受力情况,也对关键零件进行了有限元分析。在机械结构上,增加前臂旋转训练和腕关节训练。为提高患者康复训练的安全性,在各个关节上增设位置可调的机械限位,保证患者训练安全,提高机器人的适用范围。其次,对HEBUT–AR3上肢康复机器人进行运动轨迹规划。建立HEBUT–AR3上肢康复机器人的运动学方程,借助...
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国60岁以上老人占总人数比趋势图
?饕步隙唷８没?魅嗽黾恿硕系绫；ず椭亓Ωㄖ?δ埽??障患者使用过程中的安全性。各个关节上安有力矩与位置传感器，采集关节旋转角度及手臂力信号[10]。同时，该机器人也搭建了虚拟现实系统，提高患者训练的趣味性，但该机器人体积较大且过于笨重，制作成本较高。美国华盛顿大学开发的一款CADEN-7上肢康复机器人[11]，它具有7个自由度，能训练的动作也较多，如图1.3所示。各个电机拉动绳索，绳索带动各个关节上的滑轮装置，从而间接传动，总体机械臂重量较轻。但该传动结构中，传动绳索的过渡环节较多，使得控制较为复杂。图1.2ARMin-Ⅲ机器人图1.3CADEN-7机器人哥伦比亚大学与美国通用全球研究中心研制了一款轻质的CAREX上肢康复机器人[12]，如图1.4所示。机器人采用钢丝绳间接传递动力，电机安放在机架上。使用钢丝绳悬吊机械臂，带动手臂的辅助力较校该机器人自由度较少，所能完成的训练动作也较少。英国索尔福德大学研制一台由气动肌肉作为驱动器的上肢康复机器人[13]，该机器人具有7个自由度，机器臂总质量低于2千克，采用气动肌肉拉动绳索间接传动，如图1.5所示。采用气动肌肉作为驱动力，它的功率质量比较高，使得机械结构简单且轻、安全性较高。采用气动肌肉结构需要外接气源，气泵会产生噪音，影响患者使用。而且气动肌肉价格昂贵，制作成本较高。
HEBUT–AR3上肢康复机器人机构及控制系统研究-2-1.2国内外上肢康复机器人的研究现状1.2.1国外上肢康复机器人的研究现状Balgrist大学与瑞士联邦理工学院共同研制了一台7个自由度上肢康复机器人如图1.2所示，图1.2为第三代上肢康复机器人名为ARMin-Ⅲ[7,8]。它能够满足患者左右手切换训练，机器人的肩部采用虚拟轴心设计，这样可减缓机器人结构与人体肩关节轴心不一致给患者带来不适[9]。伺服电机安装在机器人的各个关节上，机器人自由度较多，所能实现的训练动作也较多。该机器人增加了断电保护和重力辅助功能，保障患者使用过程中的安全性。各个关节上安有力矩与位置传感器，采集关节旋转角度及手臂力信号[10]。同时，该机器人也搭建了虚拟现实系统，提高患者训练的趣味性，但该机器人体积较大且过于笨重，制作成本较高。美国华盛顿大学开发的一款CADEN-7上肢康复机器人[11]，它具有7个自由度，能训练的动作也较多，如图1.3所示。各个电机拉动绳索，绳索带动各个关节上的滑轮装置，从而间接传动，总体机械臂重量较轻。但该传动结构中，传动绳索的过渡环节较多，使得控制较为复杂。图1.2ARMin-Ⅲ机器人图1.3CADEN-7机器人哥伦比亚大学与美国通用全球研究中心研制了一款轻质的CAREX上肢康复机器人[12]，如图1.4所示。机器人采用钢丝绳间接传递动力，电机安放在机架上。使用钢丝绳悬吊机械臂，带动手臂的辅助力较校该机器人自由度较少，所能完成的训练动作也较少。英国索尔福德大学研制一台由气动肌肉作为驱动器的上肢康复机器人[13]，该机器人具有7个自由度，机器臂总质量低于2千克，采用气动肌肉拉动绳索间接传动，如图1.5所示。采用气动肌肉作为驱动力，它的功率质量比较高，使得机械结构简单且轻、安全性较高。采用气动肌肉结构需要外接气源，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]步进电机闭环控制系统的研究与应用[J]. 夏斯权,周亦敏,杨一波,黄松. 机电工程. 2017(12)
[2]上肢康复外骨骼的设计与人机相容性分析[J]. 张雷雨,李剑锋,刘钧辉,侯增广,彭亮,王卫群. 机械工程学报. 2018(05)
[3]基于MATLAB Robotic Toolbox的关节型机器人运动仿真研究[J]. 陆佳皓,平雪良,李朝阳. 机床与液压. 2017(17)
[4]上肢康复机器人的研究[J]. 蔡国庆,程秀芳. 机械工程与自动化. 2017(05)
[5]S曲线加减速控制在3D打印中的实现[J]. 李哲,党开放,黄矫燕,赵弘. 组合机床与自动化加工技术. 2017(08)
[6]基于FPGA的运动控制系统加减速算法设计[J]. 刘鹏,罗衍涛,陈成军,丁文科,邵泽燕. 仪表技术与传感器. 2017(06)
[7]三指灵巧手抓取柔软织物运动轨迹规划[J]. 张蕾,韦攀东,李鹏飞,田丽. 毛纺科技. 2017(04)
[8]上肢康复训练机器人的研究[J]. 毛丽民,卢振利,安唱,刘叔军. 制造业自动化. 2017(02)
[9]中国人口老龄化现状及其影响[J]. 王悦. 知音励志. 2016(22)
[10]上肢康复机器人管线传动位姿分析与布线特性[J]. 杨爱华,王生泽. 机械设计与研究. 2015(05)
硕士论文
[1]上肢康复机器人线管钢丝绳传动性能与运动控制研究[D]. 杨爱华.东华大学 2015
[2]基于绳索驱动的上肢康复机器人研究[D]. 樊骏锋.西安电子科技大学 2014
[3]上肢康复辅助训练机器人的设计[D]. 赵峰.西安电子科技大学 2014
[4]单片机控制的步进电机文检系统[D]. 李晴.北京交通大学 2014
[5]六自由度外骨骼式上肢康复机器人设计[D]. 张辉.东华大学 2014
[6]上肢康复机器人主从控制系统研究[D]. 王佳.河北工业大学 2014
[7]上肢康复训练机器人系统研制及控制策略研究[D]. 花升生.江苏科技大学 2012
[8]高速精密重载机械手多领域仿真与动力学分析研究[D]. 熊小辉.重庆交通大学 2010
本文编号：2956752
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国60岁以上老人占总人数比趋势图
?饕步隙唷８没?魅嗽黾恿硕系绫；ず椭亓Ωㄖ?δ埽??障患者使用过程中的安全性。各个关节上安有力矩与位置传感器，采集关节旋转角度及手臂力信号[10]。同时，该机器人也搭建了虚拟现实系统，提高患者训练的趣味性，但该机器人体积较大且过于笨重，制作成本较高。美国华盛顿大学开发的一款CADEN-7上肢康复机器人[11]，它具有7个自由度，能训练的动作也较多，如图1.3所示。各个电机拉动绳索，绳索带动各个关节上的滑轮装置，从而间接传动，总体机械臂重量较轻。但该传动结构中，传动绳索的过渡环节较多，使得控制较为复杂。图1.2ARMin-Ⅲ机器人图1.3CADEN-7机器人哥伦比亚大学与美国通用全球研究中心研制了一款轻质的CAREX上肢康复机器人[12]，如图1.4所示。机器人采用钢丝绳间接传递动力，电机安放在机架上。使用钢丝绳悬吊机械臂，带动手臂的辅助力较校该机器人自由度较少，所能完成的训练动作也较少。英国索尔福德大学研制一台由气动肌肉作为驱动器的上肢康复机器人[13]，该机器人具有7个自由度，机器臂总质量低于2千克，采用气动肌肉拉动绳索间接传动，如图1.5所示。采用气动肌肉作为驱动力，它的功率质量比较高，使得机械结构简单且轻、安全性较高。采用气动肌肉结构需要外接气源，气泵会产生噪音，影响患者使用。而且气动肌肉价格昂贵，制作成本较高。
HEBUT–AR3上肢康复机器人机构及控制系统研究-2-1.2国内外上肢康复机器人的研究现状1.2.1国外上肢康复机器人的研究现状Balgrist大学与瑞士联邦理工学院共同研制了一台7个自由度上肢康复机器人如图1.2所示，图1.2为第三代上肢康复机器人名为ARMin-Ⅲ[7,8]。它能够满足患者左右手切换训练，机器人的肩部采用虚拟轴心设计，这样可减缓机器人结构与人体肩关节轴心不一致给患者带来不适[9]。伺服电机安装在机器人的各个关节上，机器人自由度较多，所能实现的训练动作也较多。该机器人增加了断电保护和重力辅助功能，保障患者使用过程中的安全性。各个关节上安有力矩与位置传感器，采集关节旋转角度及手臂力信号[10]。同时，该机器人也搭建了虚拟现实系统，提高患者训练的趣味性，但该机器人体积较大且过于笨重，制作成本较高。美国华盛顿大学开发的一款CADEN-7上肢康复机器人[11]，它具有7个自由度，能训练的动作也较多，如图1.3所示。各个电机拉动绳索，绳索带动各个关节上的滑轮装置，从而间接传动，总体机械臂重量较轻。但该传动结构中，传动绳索的过渡环节较多，使得控制较为复杂。图1.2ARMin-Ⅲ机器人图1.3CADEN-7机器人哥伦比亚大学与美国通用全球研究中心研制了一款轻质的CAREX上肢康复机器人[12]，如图1.4所示。机器人采用钢丝绳间接传递动力，电机安放在机架上。使用钢丝绳悬吊机械臂，带动手臂的辅助力较校该机器人自由度较少，所能完成的训练动作也较少。英国索尔福德大学研制一台由气动肌肉作为驱动器的上肢康复机器人[13]，该机器人具有7个自由度，机器臂总质量低于2千克，采用气动肌肉拉动绳索间接传动，如图1.5所示。采用气动肌肉作为驱动力，它的功率质量比较高，使得机械结构简单且轻、安全性较高。采用气动肌肉结构需要外接气源，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]步进电机闭环控制系统的研究与应用[J]. 夏斯权,周亦敏,杨一波,黄松. 机电工程. 2017(12)
[2]上肢康复外骨骼的设计与人机相容性分析[J]. 张雷雨,李剑锋,刘钧辉,侯增广,彭亮,王卫群. 机械工程学报. 2018(05)
[3]基于MATLAB Robotic Toolbox的关节型机器人运动仿真研究[J]. 陆佳皓,平雪良,李朝阳. 机床与液压. 2017(17)
[4]上肢康复机器人的研究[J]. 蔡国庆,程秀芳. 机械工程与自动化. 2017(05)
[5]S曲线加减速控制在3D打印中的实现[J]. 李哲,党开放,黄矫燕,赵弘. 组合机床与自动化加工技术. 2017(08)
[6]基于FPGA的运动控制系统加减速算法设计[J]. 刘鹏,罗衍涛,陈成军,丁文科,邵泽燕. 仪表技术与传感器. 2017(06)
[7]三指灵巧手抓取柔软织物运动轨迹规划[J]. 张蕾,韦攀东,李鹏飞,田丽. 毛纺科技. 2017(04)
[8]上肢康复训练机器人的研究[J]. 毛丽民,卢振利,安唱,刘叔军. 制造业自动化. 2017(02)
[9]中国人口老龄化现状及其影响[J]. 王悦. 知音励志. 2016(22)
[10]上肢康复机器人管线传动位姿分析与布线特性[J]. 杨爱华,王生泽. 机械设计与研究. 2015(05)
硕士论文
[1]上肢康复机器人线管钢丝绳传动性能与运动控制研究[D]. 杨爱华.东华大学 2015
[2]基于绳索驱动的上肢康复机器人研究[D]. 樊骏锋.西安电子科技大学 2014
[3]上肢康复辅助训练机器人的设计[D]. 赵峰.西安电子科技大学 2014
[4]单片机控制的步进电机文检系统[D]. 李晴.北京交通大学 2014
[5]六自由度外骨骼式上肢康复机器人设计[D]. 张辉.东华大学 2014
[6]上肢康复机器人主从控制系统研究[D]. 王佳.河北工业大学 2014
[7]上肢康复训练机器人系统研制及控制策略研究[D]. 花升生.江苏科技大学 2012
[8]高速精密重载机械手多领域仿真与动力学分析研究[D]. 熊小辉.重庆交通大学 2010
本文编号：2956752
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