手和腕关节一体化康复机器人的研究

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目前我国人口老龄化问题愈发严重,脑卒中(中风)在老龄化群体中发病率比较普遍,偏瘫是其主要表现症状。近年来因中风偏瘫、交通事故等引起的肢体运动功能丧失的人群逐渐增多,其中就包括手部运动功能障碍。手部包括腕部、掌部和指部,是我们身体最重要的器官之一,在日常生活中发挥着重要作用。传统的手部康复大都是通过理疗师实行一对一康复治疗,劳动量大且成本高,因此康复机器人成为了目前国内外研究的热点。本课题通过查阅大量国内外文献,总结手部康复机器人的优缺点,提出了一种手和腕关节一体化康复机器人,在传统对手指康复的基础上,增加了腕关节的康复,实现手部整体的康复训练。首先,通过对手指和腕部各关节的生理结构和运动角度进行分析,结合人因工程学理论,设计了手和腕关节一体化康复机器人的结构,可完成手指14个自由度和腕关节2个自由度的康复训练。其次,进行运动学分析和仿真。通过设计Matlab GUI界面计算手指四连杆机构各角度,利用分布求解法得到了该康复机器人的运动学正逆解,采用微分坐标变换和影响系数理论求得该康复机器人的雅可比矩阵。运用ADAMS进行运动学仿真,验证了结构设计的合理性。再次,进行基于sEMG信号的手部5种动作的分类识别。利用Delsys设备采集了不同动作的四通道信号,并运用Matlab进行了去噪分割等预处理操作,提取了3种时域下的信号特征,并将其进行特征向量组合。通过LDA判别法得到了分类训练模型,利用其完成对不同手势动作的分类识别,实现了较好的分类效果,为实现肌电控制打下基础。最后,进行了样机制作和实验研究。利用3D打印技术制作了样机模型的零件并完成装配,通过进行穿戴适应性实验、CPM康复实验以及肌电控制实验,该康复机器人能够平稳地运行,表明设计方案的可行性。
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