一种7自由度生机电假肢手臂的结构设计及运动学分析

摘要

生机电假肢手臂是指外观造型与真实人体手臂相似,运动功能与真实人体手臂相同,并且能够重建人体手臂缺失的运动功能的机械装置。在与一般工业机器人相比,它要求结构紧凑,外观自然优美,动作与真实人体运动协调一致。为此,本文设计了一种7自由度生机电假肢手臂,并在以下四个方面进行了研究:
　　(1)研究了目前生机电假肢手臂的国内外发展情况,对目前假肢手臂设计热点及难点有了比较充分的认识。针对目前假肢设计中的热点之一的假肢结构轻量化和运动智能化作了比较深入的工作。
　　(2)对真实人体手臂结构进行了分析,主要研究了人体肩关节、肘关节、腕关节的骨骼肌肉组成原理,然后根据真实人体手臂建立了假肢运动自由度的分配模式。在假肢手臂重量以及各个关节的运动速度上也提出了要求。
　　(3)根据设计前期要使假肢轻量化的研究,最终确定了假肢手臂关节驱动机构选用了结构紧凑差动机构来实现。首先是采对传统的差速器进行了结构改进,然后把差速机构模块化处理,使之用在肩关节、肘关节等多个自由度的实现上。驱动机构则选用了盘式直流伺服电机加上谐波减速器的形式,这样的布置是假肢手臂的宽度尺寸达到了最小。
　　(4)为了对假肢进行智能控制,对假肢的运动学进行了分析。根据假肢手臂的结构建立了D-H坐标系,在此基础上完成了假肢手臂的运动学正解分析。在假肢手臂逆运动学分析上,提出了利用swivelangle的优化方法,使假肢手臂的运动轨迹更加拟人自然。
　　本文完成了生机电假肢手臂的机械结构设计,然后对假肢手臂的正、逆运动学做出了详尽的分析,为生机电假肢手臂的设计奠定了一定的基础。

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目录

1 绪 论

1.1 课题的来源

1.2 课题的背景

1.3 课题的研究意义

1.4 假肢的发展历史

1.5 假肢目前研究的热点

1.6 假肢目前国内外研究情况

1.7 论文的主要工作

2 生机电假肢手臂总体设计

2.1 生机电假肢生理学基础

2.2 生机电假肢手臂总体设计

2.3 本章小结

3 生机电假肢机械结构设计

3.1 生机电假肢手臂三维建模

3.2 生机电假肢手臂关节差动机构设计

3.3生机电假肢手臂链传动设计

3.4谐波减速器在关节中的应用

3.5本章小结

4 生机电假肢手臂运动学分析

4.1 生机电假肢手臂运动学基础

4.2 生机电假肢手臂运动学正解

4.3 生机电假肢手臂运动学反解

4.4 基于运动学反解的假肢手臂运动功能试验

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录 Ⅰ攻读硕士学位期间发表的论文