開題報告范文《上肢康復訓練機器人設計》的論文

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1、開題報告范文-《上肢康復訓練機器人設計》的論文 開題報告范文-《上肢康復訓練機器人設計》的論文 【編者按】：精品學習網(wǎng)論文頻道為您提供各類開題報告范文參考，以及開題報告寫作指導和格式排版要求，解決您在開題報告寫作中的難題。 關鍵詞：上肢康復訓練機器人 青島大學碩士開題報告范文 青島論文 開題報告 一、 選題的目的和意義 據(jù)統(tǒng)計,我國60 歲以上的老年人已有1.12 億。伴隨老齡化過程中明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降，進而對日常的生活產(chǎn)生了種種不利的影響。此外，由于各種疾病而引起的肢體運動性障礙的病人也在顯著增加，與

2、之相對的是通過人工或簡單的醫(yī)療設備進行的康復理療已經(jīng)遠不能滿足患者的要求。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，這個特殊群體已得到更多人的關注，治療康復和服務于他們的產(chǎn)品技術和質量也在相應地提高，因此服務于四肢的康復機器人的研究和應用有著廣闊的發(fā)展前景。 目前世界上手功能康復機器人的研究出于剛起步狀態(tài)，各種機器人產(chǎn)品更是少之又少，在國內該領域中尚處于空白狀態(tài)，臨床應用任重而道遠，因此對手功能康復機器人的研究有廣闊的應用前景和重要的科學意義。 目前大多數(shù)手功能康復設備存在以下一些問題：康復訓練過程中，缺乏對關節(jié)位置、關節(jié)速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高大多數(shù)手功能康復設備沒有拇指的參與感知功能差

3、，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。本課題針對以上問題，采用氣動人工肌肉驅動的手指康復訓練機器人實現(xiàn)手指康復訓練的多自由度運動，不僅降低了設備成本，更重要的是提高了系統(tǒng)對人類自身的安全性和柔順性，且具有體積小，運動的強度和速度易調整等特點。 課題的研究思想符合實際國情和康復機器人對系統(tǒng)柔順性、安全性、輕巧性的高要求 。它將機器人技術應用于患者的手部運動功能康復，研究一種柔順舒適、可穿戴的手功能康復機器人，輔助患者完成手部運動功能的重復訓練，其輕便經(jīng)濟、穿卸方便，尤其適于家庭使用，既可為患者提供有效的康復訓練，又不增加臨床醫(yī)療人員的負擔和衛(wèi)生保健。 綜上所述，氣動人工肌

4、肉驅動手指康復訓練機器人的設計是氣壓驅動與機器人技術相結合在康復醫(yī)學領域內的新應用，具有重要的科學意義。 二、 國內外研究動態(tài) 2.1 國外研究動態(tài) 美國是研究氣動肌肉機構最多的國家，主要集中在大學。 華盛頓大學的生物機器人實驗室從生物學角度對氣動肌肉的特性作了深入研究，從等效做功角度建模，并進行失效機理分析，代寫論文制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運動控制研究。 vanderbilt 大學認知機器人實驗室(cognitive robotics lab, crl)研制了首個采用氣動肌肉驅動的爬墻機器人，并應用于驅動智能機器人(intelligent soft-arm control,

5、 isac)的手臂。 伊利諾伊大學香檳分校的貝克曼研究所對圖像定位的5自由度soft arm 機械手采用神經(jīng)網(wǎng)絡進行高精度位置控制和軌跡規(guī)劃。亞利桑那州立大學設計了并聯(lián)彈簧的新結構氣動肌肉驅動器，可以同時得到收縮力和推力，并與工業(yè)界合作開發(fā)了多種用于不同部位肌肉康復訓練的小型醫(yī)療設備。 英國salford 大學高級機器人研究中心對氣動肌肉的應用作了長期的系統(tǒng)研究，開發(fā)了用于核工業(yè)的操作手、靈巧手、仿人手臂以及便攜式氣源和集成化氣動肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的遠程控制。 法國國立應用科學學院(instituted national dissidences appl

6、iqués, insa)研究了氣動肌肉的動靜態(tài)性能和多種控制策略，目前正在研制新型驅動源的人工肌肉以及在遠程醫(yī)療上的應用。 比利時布魯塞爾自由大學制作了新型的折疊式氣動肌肉用于驅動兩足步行機器人，實現(xiàn)了運動控制。 日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又發(fā)明了多種不同結構的氣動肌肉。德國festoon 公司發(fā)明了適合工業(yè)應用的氣動肌腱fluidic muscle，壽命可達1000萬次以上，同時還對氣動肌肉的應用作了許多令人耳目一新的工作。英國shadow 公司研制了目前世界上最先進的仿人手。美國的kinetic muscles 公司與亞利桑那州立大學

7、合作開發(fā)了多種用于肌肉康復訓練的小型醫(yī)療設備。 lilly采用基于滑動模的參數(shù)自適應控制策略，實現(xiàn)了單氣動肌肉驅動的關節(jié)位置控制。 2.2 國內研究動態(tài) 自20 世紀90 年代以來，我國陸續(xù)開始了氣動肌肉的研究。 北京航空航天大學的宗光華較早開始氣動肌肉的研究，分析了其非線性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對驅動模型的影響，并應用于五連桿并聯(lián)機構，通過剛度調節(jié)實現(xiàn)柔順控制。 上海交通大學的田社平等運用零極點配置自適應預測控制、非線性逆系統(tǒng)控制以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡方法，實現(xiàn)單自由度關節(jié)的快速、高精度位置控制。 哈爾濱工業(yè)大學的王祖溫等分析了氣動肌肉結構參數(shù)對性能的影響、氣動肌肉的靜動態(tài)剛度特

8、性以及與生物肌肉的比較，提出將氣動肌肉等效為變剛度彈簧，設計了氣動肌肉驅動的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數(shù)據(jù)手套和6 足機器人，采用輸入整形法解決關節(jié)階躍響應殘余震蕩問題。 北京理工大學的彭光正等先后進行了單根人工肌肉、單個運動關節(jié)以及3 自由度球面并聯(lián)機器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等多種智能控制算法，并設計了6 足爬行機器人和17 自由度仿人五指靈巧手。 哈爾濱工業(yè)大學氣動中心的隋立明博士也通過實驗得到了氣動人工肌肉的一個更簡潔的修正模型和經(jīng)驗公式并對兩根氣動人工肌肉組成的一個簡單關節(jié)系統(tǒng)進行實驗建模和采用位置閉環(huán)的控制方法進一步驗證氣動人工肌肉的模型。 上

9、海交通大學的林良明也對氣動人工肌肉的軌跡學習控制進行了仿真研究給出了學習的收斂性的初步結論為下一步的學習控制奠定了基礎。其中田社平通過對氣動人工肌肉收縮在頻率域上的數(shù)學模型并對它的結構及其靜動態(tài)特性進行了理論分析建立了相應的靜態(tài)力學方程。 2003年付大鵬等，以機械手抓取物體為分析對象，采用矩陣法來描述機械手的運動學和動力學問題，以四階方陣變換三維空間點的齊次坐標為基礎，將運動、變換和映射與矩陣計算聯(lián)系起來建立了機械手的運動數(shù)學模型，并提出了機械手運動系統(tǒng)優(yōu)化設計的新方法，這種方法對機械手的精密設計和計算具有普遍適用意義。 2005年車仁煒，呂廣明，陸念力對5自由度的康復機械手進行了動力學

10、分析，將等效有限元的方法應用到開式的5自由度的康復機械手的動力分析中，這種方法比傳統(tǒng)的分析方法建模效率高、簡單快捷，極其適合現(xiàn)代計算機的發(fā)展，的除了機械臂的動力響應曲線，為機械手的優(yōu)化設計及控制提供理論依據(jù)。 2008年北京聯(lián)合大學張麗霞，楊成志根據(jù)拿取非規(guī)則物品的任務要求，采用轉動機構和連桿機構相結合，設計了五指型機器手，手指彎曲電機與指間平衡電機耦合驅動，實現(xiàn)了機器手的多角度張開、抓握運動方式,對實用型仿人機器手的機構設計有參考意義。 2009年楊玉維等人對輪式懸架移動2連桿柔性機械手進行了動力學研究與仿真，。采用經(jīng)典瑞利.里茲法和浮動坐標法描述機械手彈性變形與參考運動間的動力學耦合問

11、題， 綜合利用拉格朗日原理和牛頓.歐拉方程并在笛卡爾坐標系下，以矩陣、矢量簡潔的形式構建了該移動柔性機械手系統(tǒng)的完整動力學模型并進行仿真。 2009年羅志增，顧培民研究設計了一種單電機驅動多指多關節(jié)機械手，能夠很好的實現(xiàn)靈巧、穩(wěn)妥的抓取物體，這個機械手共有4指12個關節(jié)。每個手指有3個指節(jié)，由兩個平行四邊形的指節(jié)結構確保手指末端做平移運動，這種設計方案很好的實現(xiàn)了控制簡單、抓握可靠的目的。 從目前來看，國內對氣動人工肌肉的研究仍處于剛起步的階段。有關氣動人工肌肉的研究與國外還有相當?shù)牟罹鄬鈩尤斯ぜ∪庵械脑S多問題，還沒有進行深入的研究。此外，采用氣動人工肌肉作為機器人驅動器的研究還不成熟。

12、 三、 主要研究內容和解決的主要問題 目前大多數(shù)手功能康復設備存在以下一些問題:康復訓練過程中，缺乏對關節(jié)位置、關節(jié)速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高大多數(shù)手功能康復設備沒有拇指的參與感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。為此，課題主要研究內容：設計一種結構簡單，易于穿戴，并且安全、柔順、低成本，使用方便的氣動手功能康復設備。對氣動手指康復系統(tǒng)進行機構運動學分析、用mat lab軟件對康復訓練機器人的康復治療過程的力位信息進行仿真分析。 要實現(xiàn)上述的目標，系統(tǒng)中需要著重解決的關鍵技術有： (1)基于已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分

13、的設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。 主要包括：人手部的手指彎曲抓握動作分析，氣壓驅動關節(jié)機構自由度的優(yōu)化配置。使機械手能夠實現(xiàn)手指的彎曲、物體的抓握等手部癱瘓患者不能實現(xiàn)的動作。 (2)對機器人機械機構的運動學分析。主要包括：氣壓驅動的手指關節(jié)外骨骼機械機構的運動學分析。 (3)機器人機構的力位信息仿真。主要包括：用mat lab軟件進行機器人氣壓驅動終端的力位信息 仿真。 根據(jù)總體方案設計以及工作量的要求，外附骨骼機械手系統(tǒng)是上肢康復訓練機器人的一部分，本文主要是研究手指康復機械系統(tǒng)運動學、動力學分析工作。 四、論文工作計劃與方案 論文工作計劃安排： 2010年9月2011年

14、6月準備課題階段： 主要工作：學習當今最先進的機器人設計技術學習用matlab軟件進行計算仿真及優(yōu)化，查閱國內外的資料，對康復機械手作初步了解。 2011年7月2011年9月課題前期階段 主要工作：課題方案設計，擬寫開題報告，開題。 2011年10月2012年7月課題中期階段 主要工作：開始具體課題研究工作，根據(jù)已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。研究手指康復機械系統(tǒng)運動學、動力學分析工作。 2012年8月2012年12月課題后期階段 主要工作：對手指康復機器人進行模擬仿真，對設計進行優(yōu)化，并在此基礎上進一步完善課題。 2013年1月2013年4月結束課題階段 主要工作：整理相關資料，撰寫論文，準備進行畢業(yè)論文答辯。 2013年5月2013年6月論文答辯階段 主要工作方案： 1. 完成學位課與非學位課學習的同時，進行市場調研，對手指康復機械手作初步了解。 2. 查閱資料，了解氣動手指康復機器人的國內外發(fā)展現(xiàn)狀。 3. 分析已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構的部分設計。 4. 對現(xiàn)有手指康復訓練方法設計進行分析和提煉，分析其優(yōu)缺點。 5. 開始具體設計工作。 6. matlab進行模擬仿真。 7. 撰寫論文。