三自由度上肢康复机器人运动学分析和运动轨迹规划仿真*

栾晓燕，王金武,△，富灵杰，戴尅戎，曹岚

(1.上海交通大学生物医学工程学院，上海 200030；2.上海骨科内植物重点实验室，上海交通大学医学院附属第九人民医院，上海 200011)

1 引 言

随着中国老龄化问题的加重，中风患者逐年增加。由中风引起的上肢运动功能障碍患者，在康复期间如果没有接受及时有效的康复训练，会造成关节挛缩，产生无法恢复的运动功能损害[1]。本研究设计了一款上肢康复机器人，具有肩关节的屈/伸，外展/内收以及肘关节的屈/伸三个自由度。康复机器人不同于工业机器人，追求的不是高精度控制和快速响应，而是安全地完成规定的康复运动[2]，因此，需要预先对机器人进行运动学分析和运动轨迹规划仿真，为后续康复机器人的控制提供依据[3]。

2 上肢康复机器人的结构与运动学分析

2.1 上肢康复机器人的结构

本研究设计的上肢康复机器人机械结构见图1，所有的零件均是在UG10.0中设计装配获得，大小臂托盘用来承载和固定患者的大小臂，使上肢随着托盘的运动而运动，并且大臂托盘的长度可以调节，以适应不同患者的臂长。康复机器人辅助患者训练时，患者采取坐姿，为适应不同坐姿身高的患者，利用电机驱动丝杆螺母调节基座高度。康复机器人具有肩关节屈/伸，外展/内收以及肘关节屈/伸三个转动副，转动副的轴线与人体对应关节的转动中心重合，三个转动副的转动依靠电机驱动完成。

图1 上肢康复机器人机械结构图

机器人连杆关系的研究通常采用D-H法。……