山西中北大學機械與動力工程學院　　李小龍　梅瑛　申登高

6R拇指關節(jié)康復機器人工作空間仿真與分析

山西中北大學機械與動力工程學院李小龍梅瑛申登高

本文以剖析人手解剖學為理論依據(jù)，設計了一種新型6R串聯(lián)拇指關節(jié)康復機器人機構。該機構按照正常人體拇指的基本尺寸范圍，對拇指康復機構進行了數(shù)學建模。然后通過Matlab軟件中的機器人工具箱模塊——Robotics Toolbox建立仿真模型并驗證參數(shù)正確性，最后運用蒙特卡洛法快速求出其工作空間。從而能夠為拇指康復機器人機構的運動性能分析和軌跡規(guī)劃等提供理論依據(jù)。

康復機器人；工作空間仿真；拇指關節(jié)機器人

由于腦卒中等疾病產(chǎn)生大量的手功能障礙患者，手功能障礙主要表現(xiàn)在指間關節(jié)和掌指關節(jié)伸展困難，喪失握力，不能完成對掌和抓取物體等動作［1］。目前，對于改善手功能障礙患者情況的理想方法是機器人輔助療法，這引起了手部功能康復機器人發(fā)展熱潮。美國學者研制的MIT-Manus手部康復機器人［2］，可以帶動患者手臂在桌面平面內做二自由度的平滑康復運動。由UniversityHospital Balgrist研發(fā)的ARMin手臂康復機器［3］，可以實現(xiàn)主動和被動康復訓練。Satoshi Ueki等人研制了基于虛擬現(xiàn)實技術的手部外骨骼康復機器［4］，可通過數(shù)據(jù)手套來控制戴在患肢上的外骨骼帶動手指各關節(jié)做康復訓練。

1　拇指關節(jié)機器人模型和參數(shù)

本文設計了一種6自由度拇指關節(jié)康復機器人機構，首先畫出其簡化的機構模型，然后確定其D-H參數(shù)［5］，最后通過仿真驗證參數(shù)的正確性。拇指關節(jié)康復機器人機構簡圖如圖1所示。

空間關節(jié)機器人機構是由運動副連接的各個桿件組成的，為了表示各個桿件之間的相對位姿普遍采用D-H方法。本文采用D-H法確定拇指關節(jié)康復機器人機構的D-H參數(shù)如表1所示。其中αn-1代表連桿扭角，ai-1代表連桿長度，di代表連桿間距，θi代表轉角變量。

圖1　 6R拇指康復機器人機構簡圖

表1　拇指康復機器人連桿參數(shù)和變量表

2　拇指康復機器人仿真

串聯(lián)關節(jié)機器人的運動學、動力學和軌跡規(guī)劃仿真分析，經(jīng)常使用Matlab平臺機器人工具箱模塊——Robotics Toolbox。該工具箱模塊簡單易懂，不需要計算正解方程，只需根據(jù)機器人關節(jié)的D-H參數(shù)就可以仿真得到機器人的工作空間。本文采用該方法對拇指康復機器人進行建模，得到拇指康復機器人機械臂模型如圖2所示。從圖2可以看出機械臂參數(shù)正確，可以進行工作空間分析。

圖2　基于蒙特卡洛法的拇指康復機器人機器臂仿真圖

3　基于蒙特卡洛法的工作空間仿真

工作空間是拇指康復機器人末端執(zhí)行器的工作區(qū)域，它是測量拇指康復機器人工作能力的重要運動指標。蒙特卡洛方法是一種借助隨機抽樣來解決數(shù)學問題的數(shù)值方法，通過蒙特卡洛方法得到的工作空間圖形稱為云圖。本文采用蒙特卡洛法對拇指關節(jié)康復機構進行運動空間仿真，得到6R拇指康復機器人工作空間如圖3所示。

圖3　 6R拇指康復機器人工作空間末端云圖

通過對拇指康復機器人工作空間的仿真分析，為拇指康復機械臂的設計工作提供了指導，也為運動學分析、動力學分析、軌跡規(guī)劃等工作提供了一些理論支持，通過蒙特卡洛法對工作空間仿真，減少了調試時間，避免了機構干涉的影響。

李小龍，1988年1月出生，遼寧朝陽人，碩士研究生，研究方向：機構與機器理論。

國家自然科學基金資助項目（51275486）

［1］李海麗，謝叻，魏盛凱.手功能康復機器人技術［J］.機械設計與研究，2014，30（1）：24-29.

［2］馬江.六自由度機械臂控制系統(tǒng)設計和運動學仿真［D］.北京：北京工業(yè)大學，2012.