手创伤康复机械手结构设计与分析

作     者：刘洪山 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：付宜利

授予年度：2007年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：医疗康复机器人 机械结构 传感器 仿真 

摘      要：手创伤康复机械手是一种帮助手外伤患者迅速康复的医疗机器人,依据是现代循证医学(Evidence Based Medicine,简称EBM)和连续被动运动(Continuous Passive Motion,简称CPM)理论,这项研究已经成为生物医学工程及机器人学科的一个热点方向。结构仿生、重量轻、体积小、可靠性高、控制简单和操作灵活方便是多自由度康复机械手的发展趋势。 本文首先综述国内外康复机械手的发展现状,依据手指的生理特性,分析现有康复机械手的缺点和不足,在此基础上引入齿轮机构和空间杆件机构,较好的解决手指骨垂直力和康复角度精确度的问题。其次考虑到临床上应用要求有丰富的感知能力,设计了基于应变原理的力传感器,来反馈手指上的力觉信息;设计了基于霍尔原理的关节位置传感器,实现手指关节位置的非接触测量,来反馈手指的位置信息,并完成了传感器的静态标定。最终基于模块化的设计思想设计了仿生手指和仿生肌肉,集成了执行机构、驱动机构、传感器、电路板,体积小,重量轻,携带方便。 采用D-H分析方法,对机器人进行了运动学分析,包括机器人的运动学正解,运动学逆解,雅可比矩阵的建立。同时完成动力学分析,建立了从电机输出到末端执行器的动力学方程,为后续的控制研究奠定了基础。 应用机械系统动力学分析软件ADAMS对机器人的曲伸运动和内收外展进行仿真分析,不但验证力运动学动力学分析的正确性,而且验证了机构设计的合理性。最后对康复机械手典型运动方式进行了实验验证。