上肢康复机器人设计

第一章绪论

第一节上肢康复机器人基本概念

一、康复机器人定义

二、康复机器人分类

三、上肢康复机器人基本概念

第二节上肢康复机器人分类与设计原则

一、上肢康复机器人主要类型

二、上肢康复机器人关键技术·

三、上肢人体解剖及运动学基础

四、上肢康复机器人设计原则·

第三节上肢康复机器人技术发展与趋势

一、国外研究现状·

二、国内研究现状

三、上肢康复机器人技术发展趋势

第二章齿轮中央驱动末端式上肢康复机器人

第一节总体方案设计

一、机械结构总体设计方案·

二、电气控制系统总体设计方案

第二节机械系统设计·

一、中央驱动式动力系统设计

二、中央驱动式三自由度传动系统结构设计

三、左右手单独训练的旋转结构设计·

第三节运动学分析与轨迹规划·

一、运动学方程

二、运动学分析验证

三、雅可比矩阵

四、轨迹规划

第四节控制系统硬件设计·

一、供电系统的设计

二、MCU最小系统设计

三、AD采集校正电路的设计

四、增量式光电编码器硬件去抖电路设计

五、串口通信及ISP下载电路设计

六、CAN总线通信电路设计

七、网络通信接口电路设计

八、磁粉离合器驱动电路设计

第五节控制系统软件设计

一、实时操作系统移植和外设驱动程序设计

二、编码器角度采集及软件去抖程序设计

三、步进电机变速程序设计

四、磁粉离合器调节程序设计

五、通信协议制定及代码实现

六、机器人的有限状态机设计

七、康复训练相关功能实现

第六节人机交互界面软件设计

一、基于嵌入式计算机的人机交互界面系统设计

二、基于通用计算机的人机交互系统设计

第七节系统集成与测试

一、单自由度运动控制实验

二、左、右手单独训练实验

三、多自由度轨迹控制实验

四、光电编码器去抖效果对比实验

五、磁粉离合器励磁电流调节实验

六、被动训练模式下比例闭环控制实验

第三章索控中央驱动末端式上肢康复机器人

第一节 总体设计方案

一、功能与安全性设计要求

二、机械结构方案设计

三、控制系统设计方案

第二节 机械系统设计

一、动力系统元器件选型以及结构布局

二、机械臂结构设计

三、动力传动系统设计

四、左右手臂互换方案以及升降系统设计

五、钢丝绳传动和同步带传动优化设计

六、关键零部件的应力应变位移校核

七、上肢康复机器人运动学仿真

第三节运动学分析及其轨迹规划

一、推算变换矩阵及建立D-H坐标系

二、上肢康复机器人正、逆运动学方程的求解

三、运动学分析小结

四、机器人轨迹规划概述

五、三次多项式插值法

六、上肢康复机器人轨迹规划

第四节控制系统硬件设计

一、控制板供电模块

二、主控芯片最小系统

三、CAN总线通信电路

四、串口通信电路

五、EEPROM存储电路

六、增量式编码器运动信息采集电路

七、无刷直流电机驱动器电路

第五节控制系统软件设计

一、数据通信模块设计

二、康复训练轨迹规划

三、力交互柔顺控制算法与应用

四、FreeRTOS操作系统应用

五、软件实现方法研究

第六节系统集成与测试

一、系统集成

二、力交互柔顺控制实验

三、上位机通信实验

第四章关节直驱末端引导式上肢康复机器人

第一节系统总体方案设计

一、上肢康复机器人设计需求分析

二、功能设计方案

三、机械结构设计方案

第二节机械系统设计

一、驱动关节运动分析

二、动力系统元件选择

三、上肢康复机器人机械结构设计

四、零件材料选择

五、力学性能仿真分析

第三节运动学与动力学分析

一、上肢康复机器人运动学分析

二、上肢康复机器人动力学分析

三、机械臂重力平衡控制策略

……

三、传感器采集系统

四、主控制系统

五、语音交互系统

六、末端仿生手驱动系统

第五节控制系统软件设计

一、数据通信方式研究

二、力交互算法与应用

三、轨迹规划的软件实现方法研究

四、FreeRTOS嵌入式操作系统应用

五、康复训练功能软件实现方法研究

六、上位机调试界面研究

第六节 系统集成与测试

一、实验样机试制

二、关节活动度实验

三、力交互性能实验

四、上肢代偿功能实验

第六章外骨骼康复手

第一节外骨骼手概述

一、手功能康复需求

二、国内外研究现状

第二节 刚性外骨骼康复手

一、总体设计方案

二、机械系统设计

三、外骨骼康复手仿真分析

四、控制系统设计

五、系统集成与测试

第三节柔性外骨骼康复手

一、总体设计方案

二、机械系统设计

三、运动学与动力学分析

四、控制系统设计

五、系统集成与测试

附录一与本书有关的科研项目

附录二参与本书相关项目的研究生

本书是目前国内第一本有关上肢康复机器人设计的专著，主要是以设计案例为主线，介绍典型上肢康复机器人机械、电气及人机交互系统的设计过程。本书共分为六章，第一章为绪论，主要介绍上肢康复机器人相关概念及发展现状，后五章根据上肢康复机器人的主要分类框架展开章节，同时还以单独章节重点介绍了外骨骼康复手的设计理论。此外，本书主要介绍的是实验室原理样机的设计而并非工程样机的完整设计，旨在为工程技术人员提供参考，以期对推动我国康复机器人技术与产业发展有些许裨益。