上肢康复机器人设计与运动规划

马晓磊（1981-）,男,北方工业大学在读硕士,工程师,研究方向：机械设计.

王伟（1981-）,男,北方工业大学在读硕士,助理会计师,研究方向：金融物流,机械设计.

摘 要：中国已经步入了老龄化社会,使康复机器人的研发成为了重点研究课题.根据现有资料显示,在上肢康复机器人设计上还存在着不足,尤其是康复机械臂以及机械手的设计上还需要进一步完善.本文针对上肢康复机器人设计与运动规划进行研究.

关 键 词：上肢康复机器人机构运动仿真运动规划

【中图分类号】R4【文献标识码】A【文章编号】1671-8801（2013）11-0025-01

上肢康复机器人属于是一种上肢康复训练的执行部件,其可以用来带动患者的上肢进行运动,从而达到物理康复的效果.从运动模式上来看,其在部件结构设计上与人体的上肢相似,附加运动特征的相似性,从而实现康复运动规划.

1上肢康复机器人的运动规划

上肢康复机器人的运动规划就是要使其完成必要的康复运动功能.患者在使用上肢康复机器人进行康复训练的时候,要保证运动的安全性和平稳性.对于运动规划的选择,要根据轨迹规划所在空间来进行.如果运动规划是在关节空间中进行,则在运动的时候所产生的受控变量即为轨迹规划,其缺点是机械手的末端所产生的轨迹不会很精确.相比较而言,康复运动规划的特点则是由康复机器人的特点来确定的.其首先在针对患者的康复运动中从起始点到目标点都会将患者置身在安全的空间内,不会与患者之间发生干涉.除了一些传统的康复训练模式之外,针对于具有特殊性的运动规划,则需要在参数上进行调整.也就是说,上肢康复机器人在运动规划上是保持其传统康复运动的特征的,并在此基础上加强了康复功能性运动技术.尤其要注意关节角在运动的过程中的连续性,从运动的起始端和目标端,在姿势上都要具有可控性.要对于上肢康复机器人的运动有所约束,就要在关节变量的上下限设置上具有一定的合理性,不但能够保持康复运动的平稳性,还要提高安全系数,以避免患者受到伤害.

2上肢康复机器人的运动仿真

上肢康复机器人的运动仿真所应用的是三维造型仿真软件,其可以对于机器人的仿真动作进行有效控制.仿真动作是在机械运动的作用下来实现的,通过三维造型仿真软件将机电一体化系统建立起来.本论文对于上肢康复机器人的运动仿真选择使用了控制运动轨迹仿真的LabVIEW控制软件和三维造型仿真的So1idworks软件.

2.1上肢康复机器人的控制仿真模型.对于上肢康复机器人的控制仿真模型的设计,首先采用最简单方法设计简化的模型,其目的是为了对于运动学原理在设计中应用的合理性进行检验.机械人末端的轨迹,需要符合设计的要求,采用这种建议的虚拟原型,能够方便电脑运算并且节省内存.

当简化模型的运动仿真符合设计要求之后,就可以在其架构以运动原理的基础上建立起完整仿真模型,通过零件形状的不规则形来对于仿真效果进行干涉判别.上肢康复机器人三维完整造型模型如图1.

2.2上肢康复机器人运动的控制仿真模式.对于上肢康复机器人运动的控制仿真,使用NISoftMotion模块连将LabVIEW软件和So1idworks软件连接起来,在So1idWorksMotion插件中可以实现上肢康复机器人的运动仿真.采用这种运动仿真模式,能够获得运动仿真的各个参数,如在仿真运动的过程中,每一个构件所在的位置,运动的速度以及实现加速度的条件等等,都可以从用户的界面上显示出来,以便于对于仿真控制程序进一步完善.

在实施运动仿真模式之前,首先要确保So1idWorksMotion插件被激活,之后,虚拟电机轴被设置在NILabVIEW的虚拟原型技术中,其是通过将上肢康复机器人的完全仿真模式切换到管理器当中,在将动力源切换到其中来完成的.So1idWorks在装配关系在机构的运动中起到了重要的作用,因为在So1idWorks模型中所出现的各种状态,包括固定零部件的状态和运动零部件的状态都是在这里受到支配.

在进行运动控制仿真时,需要将患者的信息界面建立起来.患者的信息,包括身高、体重以及肩宽等等可以方便对于机械臂以及以及上肢包容体进行规格的计算,以便于在运动规划中,根据这些计算尺寸进行干涉分析.

对于常规运动模式的选择,要使用直线运动控件实现关节的往复运动,电机以自定义的方式对于位移、运动的速度和加速度幅值,可以使用“读取”在界面上加以显示.

对于关节运动的调节模式,各个关节之间要具有协同运动的功能,而且还可以各自单独运动.关节运动的状况可以通过控件显示出来.医师可以通过检测运动的情况来制定治疗计划并根据应用实际进行调整.

在自主选择常规运动模式面板中,程序控件的选择还需要Matlab脚本控件,其重要性在于,能够提高LabvIEw―Matlab混合编程的可行性.以这种编写程序的方式,能够对于常规的模式进行自主选择,从而实现患者的康复功能.

当上肢康复机器人运动的控制仿真进入到基本成熟阶段的时候,就可以将完整虚拟原型的控制仿真建立起来,对于仿真结果的正确性加以验证,以提高工作效率.

3总结

综上所述,鉴于上肢康复机器人尚且存在着不足,本论文在上肢康复机器人的设计上提出了具有参考性的方案,并对于运动规划进行了较为详细的阐述.但是在临床医学的应用性上,上肢康复机器人的设计还有待进一步探讨.