基于三维造型的康复机器人运动控制仿真

基于三维造型的康复机器人运动控制仿真

康复训练是研究和实践的中心，它有助于患者在最短时间内实现最满意的治疗效果。康复医学与机器人技术的结合提高了康复训练的效率,并保证了动作训练的强度。近年来,随着国内外康复机器人技术的迅速发展,早期的康复机器人存在着多数不能达到医师所期望的动作训练强度,使患者康复疗程长,短期内治疗效果不太明显等缺点。因此,为解决此问题,本文基于三维造型软件设计了一六自由度从外骨骼手臂模型,建立D-H坐标,并用齐次坐标变换确定各个杆件间的相对位置,在此基础上进行了正/逆运动学分析,仿真验证了该模型设计的合理性。1外骨、关节和手臂设计1.1主外骨骼肢体结构本文所设计的外骨骼实现了对主外骨骼手臂的操控。该外骨骼模型可以穿戴在医师身上,记录医师上肢各关节的运动数据,并提取这些数据作为主外骨骼上肢运动的操控装置,以保证主外骨骼上肢运动轨迹的实现与运动,而且该控制具有自适应、交互和支撑能力。模型结构具有6个自由度:肩部有3个自由度(肩部外展/内收,肩关节的旋转和肩部屈/伸),肘部有1个自由度(屈/伸),前臂(旋内/旋外)和腕部各有1个自由度(腕部屈/伸),六自由度模型如图1所示。由图1可以看出,当肩关节外展/内收时,上臂自然下垂为0°;当肩关节屈/伸时,上臂前摆为正;当肩关节旋转时,上臂前旋转为正;肘关节屈/伸时,前臂自然下垂为0°;腕关节外展/内收时,外展为正;前臂旋内/旋外时,外旋为正。1.2膝关节外展/内收本文设计了从外骨骼手臂的局部视图和全视图如图2所示。由图2可知,区域1可以实现肩关节的屈/伸;区域2可以实现肩关节的外展/内收;区域3可以实现肩关节旋转;关节b、d和e为转动关节,绕关节b可以实现肘关节屈/伸,绕关节d可以实现前臂旋内/旋外,绕关节e可以实现腕关节外展/内收;关节a与关节c为移动关节,可根据患者手臂长度的不同进行调整。各关节的运动范围可参考R.R.Safaee等对正常人所做的测量和实例。上臂与前臂尺寸是按照我国成年人人体尺寸标准所设计。2运动分析2.1d-h坐标表示法建立D-H坐标系。D-H坐标系由Denavit-Hartenbery提出,现已成为描述机械手的惯用坐标系。齐中伟对D-H坐标的表示法作了详细介绍,D-H坐标表示法是机器人连杆和关节进行建模的一种非常简单的方法,该方法建立了连杆坐标系间的规则,推导出了机器人末端执行关节的坐标系相对于机座坐标系的位姿矩阵。各连杆坐标系如图3所示,图3中,ai-1为连杆的长度;αi-1为连杆扭角;di为两连杆间的距离;∅i为两连杆间的夹角。2.2未知量建立坐标系假设有一个构型已知的机器人,即它所有连杆长度和关节角度都是已知的,那么计算机器人末端执行器的位姿就成为正运动学分析。本文已知关节1～关节7的连杆长度和关节角度,用正运动学方程可计算出未知量——关节8任一瞬间的位姿。在机械手的每一个连杆上建立一个坐标系,并用奇次变换描述这些坐标系间的相对位置和姿态。这里,矩阵0T8描述了腕部相对于肩关节的位置与姿态,其中,1,2,3,5,7,8关节为转动型关节,关节参数如表1所示;第4和第6关节为移动型关节,关节参数如表2所示。3模拟结果与分析3.1外骨骼模型的固定本文采用具有权威性的机械系统运动学和动力学分析软件Adams对外骨骼模型进行仿真。将该外骨骼模型穿在试验者的左右手臂上,试验者根据自己手臂的长度调整模型并穿好,肩关节环绕在实验者的上身且固定,上臂和前臂捆绑在手臂上,通过手握持来固定手腕。试验的过程为:试验者在自然状态下手臂抬起-手臂向前旋转-前臂旋转。3.2无负载的动力学模型由于手臂在运动时会受到多种因素的影响,影响因素不同,仿真结果也就不同。所以假设模型处在无任何干扰的理想状态,即无任何施加负载,以恒定的5rad/s的角速度缓慢运动。试验者在无障碍的空间内抬起手臂,此过程中模型只有肩关节外展,其余关节没有动作。肩关节的外展始末位置如图4所示,图4b中的白色曲线为运动轨迹。动作过程中转角幅度和沿着x,y,z3个方向上的角加速度见图5所示,图5分别表示了前臂和上臂的长度变化线。3.3旋转初始位置模型继续保持5rad/s的角速度缓慢运动,在这个过程中只有肩关节向前旋转,其旋转始末位置见图6所示。图6a是肩关节旋转前的位置,图6b是末位置(白色曲线是轨迹线),转角幅度和沿着x,y,z3个方向上的角加速度见图7所示。3.4旋转角度此动作以肩关节旋转后的状态为初始位置,仅完成了前臂向内弯曲,模型中前臂的旋内/旋外是通过轴固定、手握部分旋转来实现,前臂旋转后的姿态如图8所示;动作过程的转角幅度和沿着x,y,z3个方向上的角加速度如图9所示。当肩关节外展、旋转和前臂旋转后,其关节参数为θ1=θ2=θ3=-90°,θ5=180°,θ7=θ8=0°腕部相对于肩关节的位置与姿态可表示为0Τ8=[1010-10100-11d4+d60001]3.5佩戴前上臂和织物长度变化仿真结果表明,该手臂模型在自然状态下和各动作运动过程中角加速度的最大值为1.05×10-7rad/s2,变化的幅度很小,相对变化率微小,所以造成的冲击小。在取物过程中,上臂和前臂的长度改变量如图10所示,测量上臂质心和前臂质心之间的距离,且定义两者之间相对移动距离是1mm/s,从数据中可以看到最大变化量是19.1mm,假设某穿戴者手臂长度是50cm,则相对变化率为3.82%,可以要求手臂模型在穿戴前调整好并固定。经仿真分析,各个关节可以独立实现预定的运动轨迹,并且可以完成基本的日常行为动作,如吃饭、取固定位置的物体等,手臂到达指定位置完成取物动作。4外骨骼嘴唇模型的运动学分析本文利用D-H坐标变换,提供了手臂模型的腕关节相对于肩关节的位置及方向,建立了运动学方程并进行正运动学求解,实现了预定轨迹的跟踪。采用Adams软件从运动学的角度对该外骨骼手臂模型的合理性进行仿真验证,结果表明,该模