论文总字数：20707字

摘 要

本文主要是对基于气动弹簧驱动的上肢康复机器人做研究，以市场对康复器械需求较大为切入点，学习气动肌肉的工作原理以及数学模型，设计出上肢康复机器人，用Croe换出其三维模型，并用Solidworks制作运动仿真。

基于气动弹簧的上肢康复机器人包括大臂、小臂、手部、气动弹簧支架四个部分组成，其中肩部由一对气动肌肉牵引驱动，具有一个自由度；肘部由电机和液压缸组合运动，可以完成小臂屈伸和旋转动作。肩部采用钢丝绳传动，肘部采用齿轮传动，气动弹簧和钢丝绳的传动方式可以体现该康复机器人的柔顺性。本文还对机器人的运动空间进行分析，最终，患者能在基于气动弹簧的上肢康复机器人的协助下，完成日常生活中的基本动作。

气动肌肉结构简单，传动方式与人类肌肉相仿，不仅被大量运用于仿生学，在工业控制、航空军事等领域运用的也相对广泛。

本文说明了上肢康复机器人的发展现状，并研究气动肌肉的工作原理，对其数学模型进行分析，其次阐述了整个上肢康复机器人机械结构部分的设计和分析过程。然后用Croe、solidworks进行建模仿真，并使用CAD绘制零件图、总装图。

关键词：气动弹簧；上肢康复机器人；机械结构；仿真；

Abstract

This paper mainly studies the upper limb rehabilitation robot driven by pneumatic spring. Taking the market demand for rehabilitation equipment as the starting point, we learn the working principle and mathematical model of pneumatic muscle, design the upper limb rehabilitation robot, replace its three-dimensional model with croe, and make motion simulation with Solidworks.

The upper limb rehabilitation robot based on the pneumatic spring consists of four parts: the big arm, the small arm, the hand and the pneumatic spring bracket. The shoulder is driven by a pair of pneumatic muscles and has a degree of freedom. The elbow is combined by the motor and the hydraulic cylinder to complete the flexion, extension and rotation of the small arm. The shoulder is driven by wire rope, the elbow is driven by gear, and the pneumatic spring and wire rope drive mode can reflect the flexibility of the rehabilitation robot. This paper also analyzes the movement space of the robot, the final upper limb rehabilitation robot can help patients to complete the basic actions of daily life.

Pneumatic muscle has simple structure and similar transmission mode with human muscle. It is not only widely used in bionics, but also in industrial control, aviation and military fields.

This paper describes the development of the upper limb rehabilitation robot, and studies the working principle of pneumatic muscle, analyzes its mathematical model, and then describes the design and analysis process of the mechanical structure of the whole upper limb rehabilitation robot. Then, croe and SolidWorks are used for modeling and simulation, and CAD is used to draw part drawing and general assembly drawing.

Keywords:Pneumatic spring、upper limb rehabilitation robot、mechanical structure、simulation

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状及分析 2

1.2.1 国外发展概况 3

1.2.2 国内发展概况 5

1.2.3 存在的问题 6

1.3 主要研究内容 7

第2章 上肢康复机器手总体结构设计 9

2.1 设计要求 9

2.2 机器人的设计要求及原理 10

2.3 肩关节设计 11

2.4 肘关节设计 14

2.5 总体结构方案 16

2.6 本章小结 16

第3章 气动弹簧特性分析 17

3.1 气动弹簧介绍 17

3.2 数学建模 17

3.3 工作原理 20

3.4 气动回路 21

3.5 本章小结 22

第4章 运动分析 24

4.1 工作空间的确定方法 24

4.2 关节杆长对工作空间的影响 26

4.3 本章小结 27

第5章 总论与展望 28

5.1 总结 28

5.2经济性、环保性分析 28

参考文献 30

致谢 32

绪论

1.1 研究背景与意义

脑卒中（CVA）又称中风，其高发病、致残、致死、复发率威胁着当代成年人的身体健康。《2018中国卫生健康统计提要》数据表明，2017年我国因脑卒中死亡的人数占总体死亡人数的1/5，成为我国寿命损失的第一大影响因素。即使部分患者在发病第一时间被送往医院救治，也会造成神经损伤，导致人体出现失语、四肢无法正常工作等情况。人口老龄化问题的突出，伴随着社会发展进程的进一步加速愈加明显，居民生活方式不健康等因素，使得脑卒中发病率急剧攀升，并呈现年轻化趋势。

目前，脑卒中的术后康复主要依靠康复治疗科，在康复治疗师的引导下配合康复机械进行治疗。但由于康复治疗人才缺口较大，无法缓解我国数量庞大的脑卒中术后患者。面对这样的供需压力，一方面需要继续培养康复治疗师，另一方面需要加大医疗器械的研发力度，开发康复治疗机器人，帮助脑卒中患者的肢体行为康复。所以研究康复机器人具有较为深远的意义。近些年，随着机电与自动控制学科的发展，通过对人体结构的了解，并结合康复相关行业要求，研制出的各种康复治疗设备，在康复治疗工程中不可或缺。现如今，医学方向机器人发展迅猛，这主要得益于各类学科交叉的研究，例如本文涉及的基于气动弹簧的上肢康复机器人，利用了工程机械学、康复治疗知识、生物科学、电子信息控制等。医疗器械的发展，离不开这些学科知识的不断推进。

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