便携式上肢康复机器人及其基于LabVIEW的数字仿真实现方法技术

一种便携式上肢康复机器人及其基于LabVIEW的数字仿真实现方法，结构新颖、集成化程度高，可以同时对上肢以及手指在内的17个关节进行辅助康复训练、外形美观；利用LabVIEW与PTC‑Creo引擎技术进行三维可视化图形仿真，操作简单，可模拟康复机器人的虚拟运动，且可以使操作者清晰直观地观察到仿真时各关节的旋转角度。

【技术实现步骤摘要】
便携式上肢康复机器人及其基于LabVIEW的数字仿真实现方法
本专利技术属于机器人自主控制领域，尤其是一种便携式上肢康复机器人及其基于LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench——实验室虚拟仪器工程工作台）的数字仿真实现方法。
技术介绍
上肢康复机器人的主要适于由于脑中风而造成骨骼、肌肉的功能丧失或衰退，以及中枢神经系统受到损伤，无法形成对肢体运动的有效控制的患者。脑卒中（stroke）通常被称为“中风”或脑血管意外，是指由急性脑血管疾病引起的持续性的大脑神经功能缺损，患病者中有85%引起偏瘫（hemiplegia）症状，尤其在老年人中居多。据资料统计，中国每年脑卒中新发病例约150万，目前全国脑卒中患者为800多万，残障率高达75%。根据全球脑卒中死亡分布图，中国每年脑卒中的死亡率约为151～251人／10万人。2008年公布的中国居民第三次死因抽样调查结果显示：脑卒中已成为中国国民第一位的死亡原因．世界卫生组MONICA研究数据显示：中国脑卒中发生率高于全球平均水平，是美国的2倍以上，并以每年8.7%的速率上升。因此，上肢的康复训练在国内尤为重要。在传统的康复训练中康复治疗主要是通过康复治疗师用针灸、按摩等方法或者借助一些简易的医疗器械帮助患者恢复运动功能。首先，这使得康复训练对人力和物力的要求比较高，昂贵的医疗费用对患者造成了沉重的经济负担；其次，康复效果主要依靠医疗师的经验和主观判断，缺少客观量化的评价；最后，康复训练过程中，缺少舒适的支撑结构，这使得偏瘫肢体在训练中容易造成二次的伤害。目前，上肢康复机器人可以分为两大类，一类为末端牵引式康复机器人系统，另一类为外骨骼式康复机器人系统。随着人们生活水平的提高，为了让机器人更具有针对性，一些患者对机器人提出了个人化、家庭化的要求。因此，便携式外骨骼康复机器人则备受欢迎。但是，现如今大多数上肢康复机器人存在一些问题，例如：体积大、结构复杂、使用不方便、多为单关节康复设备，集成度不高等。在以往对上肢康复机器人的设计、仿真与控制项目中，人们主要通过两种方式进行设计，一种是采用传统的编程语言进行设计，如VB(VisualBasic)、VC++(MicrosoftVisualC++)等；另一种是通过在三维建模软件上进行二次开发来实现，如SolidWorks、UG(Unigraphics)、Pro/E(Pro/ENGINEERWildfire)等。前者在驱动控制方面的实现较为容易，但在仿真设计上过于繁琐,后者则与之相反。目前的建模工具有很多，但是在LabVIEW环境下支持的方法却很少。一种方法是利用3Dmax（3DStudioMax）软件导出的ASE文件与LabVIEW的接口技术实现图形仿真，这种办法虽然可行，但是程序运行比较慢,程序复杂,并且实体零件必须分开导入,不支持装配体连接；第二种是利用LabVIEW自带的3DPictureToolkit自行建立三维模型，这种方法程序响应速度快，操作比较简单，但是只适用于圆柱、方体等简单模型，对于机构复杂的模型则实现困。本专利技术是利用LabVIEW与PTC-Creo引擎技术，将PTC-Creo的VRML导出的WRL文件导入到LabVIEW语言环境，利用LabVIEW语言强大的界面功能,结合LabVIEW的3DPictureControlToolkit进行三维图形仿真模拟，图形效果清晰，运动控制方便，给仿真工作带来极大的方便。3DPictureControlToolkit是一个基于LabVIEW中3DPicture控件的三维模型建立及显示控制实用函数的集合，包含了文件读取、模型建立、运动关系控制、表面材质控制、显示场景控制和观察视角控制等功能函数。LabVIEW不仅具有优秀的软件开发环境,也是功能强大的自动化测试工具。基于LabVIEW的上肢康复机器人数字仿真系统利用三维图形显示控件构建上肢康复机器人的仿真显示平台，而且在LabVIEW环境中可以用NIUSB系列的数据采集卡为新型便携式上肢康复机器人提供控制信号，可快速实现对上肢康复机器人的仿真与控制,缩短开发周期。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种便携式上肢康复机器人及其基于LabVIEW的数字仿真实现方法，它可以克服现有的技术不足，是一种结构简单、集成化程度高，使用方便的上肢康复机器人，且数字仿真实现方法利用LabVIEW与PTC-Creo（ParametricTechnologyCorporationCreo）的引擎技术进行三维可视化图形仿真，操作简单，仿真效果逼真，可快速实现对新型便携式上肢康复机器人的仿真与控制。本专利技术的技术方案：一种便携式上肢康复机器人，其特征在于它包括上肢结构和手部结构；其中，所述上肢结构是由肘部伸展/弯曲机构、腕部内/外旋运动机构和腕部伸展/弯曲机构组成；所述肘部伸展/弯曲机构和腕部内/外旋运动机构连接；所述上肢结构和手部结构之间则通过腕部伸展/弯曲机构连接。所述手指结构是由手掌部分、大拇指弯曲/伸展机构和其他四个手指弯曲/伸展机构构成；所述大拇指弯曲/伸展机构和其他四个手指弯曲/伸展机构均与手掌部分连接，且通过手掌部分与腕部伸展/弯曲机构连接。所述上肢结构是实现3个自由度康复训练动作的结构；所述手指结构中，大拇指是可实现2个自由度康复训练动作的结构，其他4个手指是分别可实现3个自由度康复训练动作的结构，即手指结构是可以实现14个自由度康复训练动作的结构。所述肘部伸展/弯曲机构是由前臂弧形槽、上臂弧形槽、被动线轮、钢丝绳I、主动线轮、步进电机I、连接片、电机座构成；所述被动线轮和连接片通过螺钉与上臂弧形槽固定连接；所述前臂弧形槽有左右旋转轴的结构；所述被动线轮和连接片又分别与前臂弧形槽的左右旋转轴连接；所述步进电机通过电机座与前臂弧形槽固定连接，所述电机座通过螺钉紧固在前臂弧形槽上；所述主动线轮与步进电机I的电机轴紧密连接，并随着步进电机的转动而转动；所述被动线轮通过钢丝绳I与主动线轮相连。所述腕部内/外旋运动机构由上臂延伸杆、步进电机III、主动齿轮II、从动齿圈构成；所述上臂延伸杆上有“T”型槽，通过“T”型槽与上臂弧形槽连接；所述上臂延伸杆与上臂弧形槽的连接可以根据不同的人进行范围调节，调整好范围后利用弹簧销紧固；所述步进电机III通过螺钉固定在上臂延伸杆上；所述主动齿轮II与步进电机III的电机轴紧密连接，并随着步进电机III的轴的转动而转动；所述从动齿圈与主动齿轮II啮合连接；所述上臂延伸杆上有凸出的滑盘；所述从动齿圈上有与凸出滑盘相配合的凹陷的滑槽；滑盘可以在滑槽内光滑运动，使从动齿圈与上臂延伸杆形成弧形滑轨连接。所述腕部伸展/弯曲机构由主动齿轮I、从动齿轮轴、步进电机II、左联件和右联件构成；所述步进电机II通过销钉紧固在腕部内/外旋运动机构的从动齿圈上；所述主动齿轮I与步进电机II的电机轴紧密连接，并随电机轴的转动而转动，从动齿轮轴与主动齿轮I啮合连接，且又与腕部内/外旋运动机构中的从动齿圈连接；所述右联件通过销钉与从动齿轮轴连接，并可以随从动齿轮轴转动而转动；所述左联件通过转动销与腕部内/外旋运动机构的从动齿圈连接；所述左联件和右联件分别连接手本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种便携式上肢康复机器人，其特征在于它包括上肢结构和手部结构；其中，所述上肢结构是由肘部伸展/弯曲机构、腕部内/外旋运动机构和腕部伸展/弯曲机构组成；所述肘部伸展/弯曲机构和腕部内/外旋运动机构连接；所述上肢结构和手部结构之间则通过腕部伸展/弯曲机构连接。

【技术特征摘要】
1.一种便携式上肢康复机器人，其特征在于它包括上肢结构和手部结构；其中，所述上肢结构是由肘部伸展/弯曲机构、腕部内/外旋运动机构和腕部伸展/弯曲机构组成；所述肘部伸展/弯曲机构和腕部内/外旋运动机构连接；所述上肢结构和手部结构之间则通过腕部伸展/弯曲机构连接。2.根据权利要求1所述一种便携式上肢康复机器人，其特征在于所述手指结构是由手掌部分、大拇指弯曲/伸展机构和其他四个手指弯曲/伸展机构构成；所述大拇指弯曲/伸展机构和其他四个手指弯曲/伸展机构均与手掌部分连接，且通过手掌部分与腕部伸展/弯曲机构连接。3.根据权利要求1所述一种便携式上肢康复机器人，其特征在于所述上肢结构是实现3个自由度康复训练动作的结构；所述手指结构中，大拇指是可实现2个自由度康复训练动作的结构，其他4个手指是分别可实现3个自由度康复训练动作的结构，即手指结构是可以实现14个自由度康复训练动作的结构。4.根据权利要求1所述一种便携式上肢康复机器人，其特征在于所述肘部伸展/弯曲机构是由前臂弧形槽、上臂弧形槽、被动线轮、钢丝绳I、主动线轮、步进电机I、连接片、电机座构成；所述被动线轮和连接片通过螺钉与上臂弧形槽固定连接；所述前臂弧形槽有左右旋转轴的结构；所述被动线轮和连接片又分别与前臂弧形槽的左右旋转轴连接；所述步进电机通过电机座与前臂弧形槽固定连接，所述电机座通过螺钉紧固在前臂弧形槽上；所述主动线轮与步进电机I的电机轴紧密连接，并随着步进电机的转动而转动；所述被动线轮通过钢丝绳I与主动线轮相连。5.根据权利要求1所述一种便携式上肢康复机器人，其特征在于所述腕部内/外旋运动机构由上臂延伸杆、步进电机III、主动齿轮II、从动齿圈构成；所述上臂延伸杆上有“T”型槽，通过“T”型槽与上臂弧形槽连接；所述上臂延伸杆与上臂弧形槽的连接可以根据不同的人进行范围调节，调整好范围后利用弹簧销紧固；所述步进电机III通过螺钉固定在上臂延伸杆上；所述主动齿轮II与步进电机III的电机轴紧密连接，并随着步进电机III的轴的转动而转动；所述从动齿圈与主动齿轮II啮合连接；所述上臂延伸杆上有凸出的滑盘；所述从动齿圈上有与凸出滑盘相配合的凹陷的滑槽；滑盘可以在滑槽内光滑运动，使从动齿圈与上臂延伸杆形成弧形滑轨连接。6.根据权利要求1所述一种便携式上肢康复机器人，其特征在于所述腕部伸展/弯曲机构由主动齿轮I、从动齿轮轴、步进电机II、左联件和右联件构成；所述步进电机II通过销钉紧固在腕部内/外旋运动机构的从动齿圈上；所述主动齿轮I与步进电机II的电机轴紧密连接，并随电机轴的转动而转动，从动齿轮轴与主动齿轮I啮合连接，且又与腕部内/外旋运动机构中的从动齿圈连接；所述右联件通过销钉与从动齿轮轴连接，并可以随从动齿轮轴转动而转动；所述左联件通过转动销与腕部内/外旋运动机构的从动齿圈连接；所述左联件和右联件分别连接手掌部分的左右两边。7.根据权利要求5所述一种便携式上肢康复机器人，其特征在于所述从动齿圈由齿圈、卡盘、挂耳构成；所述挂耳固定在卡盘上，分右挂耳和左挂耳；所述步进电机II则通过销钉紧固在从动齿圈的卡盘的右挂耳上；所述从动齿轮轴与主动齿轮I啮合连接，且又同时连接从动齿圈的卡盘的右挂耳；所述左联件通过转动销与从动齿圈的卡盘的左挂耳连接；所述手掌部分的左右两边有插板；所述左联件和右联件上有插槽；所述手掌部分的左右两边的插板分别插在左联件和右联件的插槽中。8.根据权利要求1所述一种便携式上肢康复机器人，其特征在于所述大拇指弯曲/伸展机构由后关节座I、中关节槽I、轮杆I、连杆I、步进电机IV和钢丝绳II组成；所述后关节座I依卡槽连接手掌部分；所述卡槽设置在手部；所述连杆I与轮杆I通过转动副连接，所述中关节槽I与连杆I和后关节座I分别通过两个转动副连接，形成一个可以实现大拇指伸展/弯曲的四连杆机构；所述步进电机IV通过螺钉固定在手掌部分上；所述便携式上肢康复机器人是由步进电机IV通过钢丝绳IIS1带动轮杆I旋转进而推动四连杆机构运动实现的；所述其他四个手指弯曲/伸展机构有四组，分别掌管其余四指动作，分别是由后关节座II、中关节槽II、前关节槽、轮杆II、后齿轮杆、前齿轮杆、连杆II、步进电机V、钢丝绳III啮合齿轮I和啮合齿轮II组成；所述后关节座II与手掌部分上的卡槽紧密连接；所述中关节槽II通过转动副与...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭书祥，高建歌，郭健，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津,12