4自由度上肢康复外骨骼机器人设计与分析_于浩浩.pdf

第 卷 第期佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）文章编号：（）自由度上肢康复外骨骼机器人设计与分析于浩浩，李宪华，田硕宇，徐浩（安徽理工大学 机械工程学院，人工智能学院，安徽 淮南 ）摘要：针对现如今上肢康复外骨骼机器人外部结构以及运动问题，利用 设计出一种自由度可穿戴上肢康复机器人，基于人体上肢生物力学结构，使其关节和链接与人体的关节和链接相互对应，根据此基础设计出人体上肢运动学模型，使用 法分析了外骨骼机构的运动学关系，得到坐标转换矩阵，通过 机器人工具箱进行运动学分析以及工作空间仿真模拟，进一步验证了运动学分析的可性。关键词：上肢康复机器人；结构设计；运动学分析；运动学仿真中图分类号：文献标识码：引言随着当今社会的生活节奏加快以及老龄化的问题，我国脑卒中导致运动功能障碍的人数不断增长，患者需要进行康复训练。有效的康复训练能提高患者神经敏感程度，进一步促使患者达到康复的目的。传统的康复训练是康复医师对患者进行一对一的辅助训练，这种方法很难制定有效的治疗方案，临床医学实践表明，上肢康复外骨骼机器人通过拟人化设计将人体上肢和外骨骼高度耦合，提供了一种安全有效的治疗方式，它能有效地支撑和牵引患肢的前臂和上臂，并将施加的牵引力准确地传递到关节。上肢康复机器人按结构形式可分为末端牵引型和外骨骼型两种，例如 上肢康复机器人，其优点在于多自由度以及较大的驱动力，缺点是体积较大，比较笨重。上肢康复机器人，其在各关节配备了传感器，可以检测出康复训练时出现的任何故障。上肢康复机器人，具有七个自由度，其优点在于采用线驱动的方式，电机可以远距离放置，减小运动惯量，缺点是体积较大，限制患者的活动空间。上肢康复外骨骼机器人方案设计基于上肢外骨骼机器人与人体上肢运动匹配，建立符合人体上肢广义关节运动规律的外骨骼机构构型方案，对肩部、肘部结构的自由度以及关节活动范围进行分析，同时在满足人体上肢康复运动的前提下做了简化，进行此四自由度上肢康复外骨骼机器人机械结构设计与运动学分析。外骨骼结构方案设计人体上肢康复外骨骼机器人主要提供肩部、肘部以及前臂的康复训练，主要在三个平面做康复训练，分别是矢状面，冠状面和水平面。上肢的训练关节包括两个关节：肩关节和肘关节，共有四个自由度，其中包括肩部三个自由度，分别是屈曲或伸展、外收或内展、内旋或外旋，肘部一个自由度，屈曲或伸展。上肢康复外骨骼机器人模型如图所示。上肢康复外骨骼机器人结构设计设计上肢康复外骨骼机器人首要考虑机械结构的安全性，即各个关节运动角度范围都必须符合人体工学以保护患者上肢的安全，其次，考虑到人机协调性，机器的各个关节位置必须和人体关节保持一致，再而，机器人结构要实现体积小巧，方便使用以及低成本要求。外骨骼总体结构上肢康复外骨骼结构一共有四个自由度，分别是肩部三个自由度以及肘部一个自由度，从中国成年人人体尺寸 ，查阅得出中国成年人臂长统计数据如表所示，其中上臂长度范收稿日期：基金项目：安徽省重点研究与开发计划项目（）。作者简介：于浩浩（），男，安徽亳州人，硕士，研究方向：机器人。通讯作者：李宪华（），男，安徽淮南人，教授，博士后，研究方向：智能机器人。佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年围在 ，前臂长度范围 。图肢康复外骨骼机器人模型表中国成年人臂长统计数据百分比 男上臂长度 男前臂长度女上臂长度女前臂长度 根据表设定此外骨骼机器人上臂的长度为 ，前臂的长度为 ，其中上肢康复外骨骼机器活动范围参数是基于人体日常生活中活动时关节的运动范围进行设计，如表所示。表活动范围参数关节自由度运动角度肩部屈曲伸展 外收内展 内旋外旋 肘部屈曲伸展 图外骨骼驱动模块外骨骼驱动模块上肢康复外骨骼机器人常见的几种驱动形式主要有电机驱动、液压驱动、气动驱动和腱鞘驱动。其中电机驱动使用方便、精度高且成本低，是目前为止比较普遍的上肢康复外骨骼机器人使用的驱动方式。液压驱动传动比较平顺，这一点很适合康复外骨骼机器人，但是油液容易产生污染，而且需要合适的工作温度。气动驱动安全性并不是很高，而且传动效率相比于电机驱动低。腱鞘驱动主要是利用鲍登线传递动力，相比于伺服电机驱动，其传动间隙相对较大，耐久度比较低。采用了伺服电机驱动，分别安装在肩关节以及肘关节，其中肩关节安装三个伺服电机，肘关节安装一个伺服电机。采用了伺服电机搭配谐波减速器驱动，其中谐波减速器能够保证较高的传动精度，并且可以实现更小的体积及更大的传动比，而且其重量轻、转矩容量高、噪音小，是现今比较适合机械臂使用的减速器。图机器人连杆坐标系图在，配置下的位姿运动学分析建立连杆坐标系利用 表示法，建立出上肢康复外骨第期于浩浩，等：自由度上肢康复外骨骼机器人设计与分析骼机器人的 坐标系，设计一款四自由度上肢康复外骨骼机器人，其中肩部包含有三个自由度，肘部包含有一个自由度，在建立连杆坐标系时，对上肢康复外骨骼机器人模型进行了一定的简化，把肩关节的三个自由度整合到一点，建立的连杆坐标系如图所示，在初始位姿，固定坐标系于坐标系重合，肩关节的三个自由度坐标简化后，使得坐标原点重合，坐标原点交于点，肘关节坐标系为。表机器人连杆参数 正运动学分析已知 各 坐 标 系 的 参 数，即 可 求 出 变 换 矩阵，变换矩阵 的一般表达形式为式（）：（）式中：；。其中每个连杆的变换矩阵为：将上述四个连杆矩阵相乘得到机械臂末端在固定坐标系中的位姿变换矩阵为 （）式中：（）三维云图（）平面云图（）平面云图（）平面云图图工作空间云图通过 机器人工具箱对机械臂进行建模，其中令，如图所示。得到对应关节变量下的末端位置经过对比后可知与机械臂位置姿态一致，验证了运动学模型的正确性。工作空间仿真分析上肢康复外骨骼机器人的工作空间仿真分析是患者进行康复训练前的一个必要环节，采用蒙特卡罗法对上肢康复机外骨骼器人进行工作空间佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年的分析，蒙特卡洛法也称统计模拟方法，使用随机数来解决很多计算问题，是一种以概率统计理论为指导的数值计算方法，在给定的关节角度取值范围内，应用 中 （）函数模拟出随机数值，设定每个关节空间产生 随机关节角，生成的随机点的集合即为机器人的工作空间，建立出机器人工作空间的三维云图和二维云图，如图所示。（）机器人运动轨迹图（）角度变化曲线（）角速度变化曲线（）角加速度变化曲线图机器人运动轨迹图以及各关节角的角度、角速度、角加速度随时间变化曲线轨迹规划上肢康复外骨骼机器人在对患者进行被动训练时需要完成某些指定动作，外骨骼会带动患者上肢完成一段轨迹运动。以初始关节角度 运动 至 期 望 位 置 关 节 角 度 为例，设定患者完成一次抬臂康复运动的时间为，通过 中机器人工具箱得出上肢康复外骨骼机器人运动轨迹以及各关节角角度、角速度、角加速度随时间变化曲线如图所示。可以看出各关节角角度、角速度、角加速度的变化是连续的，均没有出现巨变的过程，表示整个康复过程平稳可靠，不会对患者造成二次伤害，有助于患者康复。结论在基于人体工学的基础上，设计了一种自由度外骨骼上肢康复外骨骼机器人，包括肩部的三个自由度以及肘部的一个自由度，其中肩关节三个自由度包括屈曲和伸展、外收和内展、内旋和外旋，肘关节一个自由度是进行屈曲和伸展，利用 表示法对机器人建坐标系，通过 机器人工具箱验证了运动学方程的正确性。进一步进行工作空间仿真分析以及运动轨迹规划，得出的运动轨迹图以及各关节角角度、角速度、角加速度随时间变化曲线，表明机械臂的可以平稳的运行，由此可得上肢康复外骨骼机器人在技术上是可行的，可以简单有效地对患者进行康复训练，提高医疗康复水平技术。对机器人的康复领域具有重要意义，为今后上肢康复外骨骼机器人的应用研究奠定了基础。参考文献：“九五”攻关课题组 急性脑卒中早期康复的研究 中国康复医学杂志，（）：陶建波全驱动上肢外骨骼康复机器人设计方法研究武汉：华中科技大学，：，（），（，），：（），：，：中国成年人人体尺寸北京：中国标准出版社，曹慧林，于随然下肢康复外骨骼机器人结构拟人设计与运动学分析 机械设计与研究，郭彤颖，安冬 机器人学及其智能控制 北京：人民邮电出版社，李双双 六自由度上肢康复机器人机构设计与控制研究秦皇岛：燕山大学，苑丹丹，邓三鹏，王仲明基于蒙特卡洛法的模块化机器人工作空间分析机床与液压，（）：（下转 页）佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年代表 ，纵坐标代表 误差值，通过图形可以看出，训练伊始，模型的训练误差变化较剧烈，稳定性相对较差，但是随着训练的增加，模型的稳定性逐步增强，代表 模型的学习效果相对处于稳定。如图所示，本实验从 张选取 张原始图像进行标签、训练、测试等关于肝脏图像的特征提取的相关数据分析，通过数据比对分析，来提示进行相应警示数据，从而得出对于医疗从业人员有所裨益的数据。有望对医疗从业人员诊断病人提供可靠参考数据依据，从而提高图像诊断过程中的精准率。结语基于 联合使用 优化算法的策略全面完整地完成了肝脏的分割任务，该方法目前支持对肝脏图像数据的分割，具有实际开发价值与应用潜力。所提出的架构可以通过更改数据集的方式快速稳健的重新训练一个新的网络，抑或是在精度要求不高的情况下，采用该预训练模型可借此拓展到肾脏分割、肺分割等多个其他的医学应用领域，这对于医学交叉发展和诊治大有裨益。本文涉及网络层数较少，算法较为规范和普适，对于后续的深度学习进入内部更深入的研究与可解释性的探究具有前瞻性的作用。参考文献：刘畅，张剑，林建平基于改进全卷积神经网络的图像单像素边缘提取计算机工程，（）：王雪，李占山，吕颖达 基于多尺度感知和语义适配的医学图像分割算法吉林大学学报（工学版），（）：王海鸥，刘慧，郭强，等 面向医学图像分割的超像素 网络设计计算机辅助设计与图形学学报，（）：张欢，刘静，冯毅博，等 及其在肝脏和肝脏肿瘤分割中的应用综述计算机工程与应用，（）：，（），（），（），（，；，）：，（），：；（上接 页），（，；，）：，：；