可穿戴式上肢康复机器人结构设计

本书是基于当前康复医疗更高水平需求开发的，主要介绍可穿戴式上肢康复机器人结构设计，涵盖人体上肢关节运动分析及机器人结构设计，上肢康复机器人运动学与动力学、其仿真分析及关节空间轨迹规划等，绳索驱动腕部柔性并联机构力学性能，上肢康复机器人控制系统设计，上肢康复机器人样机研制及实验研究等。内容系统全面，适合从事康复机器机构研究的工程技术人员与高校相关专业的师生阅读参考。同时本书是作者基于多年相关科研经验撰写的，精心设计结构布局，针对性强，应用性强。

本书在简要介绍上肢康复机器人技术发展的基础上，对可穿戴式上肢康复机器人结构设计方法进行了深入研究;在机器人结构基础上，对上肢康复机器人运动学、动力学进行分析，并基于运动学分析结果，研究了机器人轨迹规划方法;针对腕关节柔性并联机构支撑弹簧具有侧向弯曲特性，在充分考虑弹簧轴向柔性振动和径向柔性振动以及考虑弹簧轴向位移和柔性振动两种工况下，提出了一种有限转动张量和力与力矩平衡方程相结合的方法，验证了实验机构的合理性和分析方法的正确性;针对脑卒中偏瘫患者的被动康复训练轨迹跟踪问题，提出了一种基于RBF神经网络迭代学习方法，提高了系统的跟踪性能及轨迹跟踪误差的收敛速度。本书可供从事上肢康复机器人研究的科研人员学习参考，也可作为相关专业的研究生或高年级本科生的教材。

庞在祥，1982年7月生，博士，长春工业大学，副教授，硕士研究生导师，副主任。一直从事机器人机构学及CAD、智能机器人、自动化生产线等领域相关研究。近五年，主持吉林省发改委项目1项，吉林省科技厅项目1项（合作单位负责人），吉林省教育厅项目2项；参与国家自然基金面上项目3项。作为主要参加人获吉林省科学技术奖一等奖1项、二等奖1项、吉林省专利奖及专利金奖各1项、吉林科技进步三等奖1项，吉林自然科学成果奖三等奖1项，长春市科技进步一等奖1项。以一作/通讯作者发表论文16篇，其中SCI论文5篇、EI期刊论文1篇、核心论文3篇、会议EI论文3篇。在吉林科学技术出版社出版专著1部。授权发明专利8件，申请发明专利6件，授权实用新型专利10件，软件著作权1件。

第1章 绪论001
1.1 背景及目的、意义002
1.2 偏瘫康复理论及训练方法分析003
1.2.1 脑卒中及脑可塑性003
1.2.2 脑卒中偏瘫康复训练方式004
1.2.3 临床康复训练方法006
1.2.4 基于康复机器人的康复训练方法007
1.3 上肢康复机器人的国内外发展现状008
1.3.1 末端导引式康复机器人系统发展现状008
1.3.2 外骨骼式上肢康复机器人发展现状010
1.4 上肢康复机器人控制策略研究现状016
1.5 本书的主要内容018

第2章 人体上肢关节运动分析及机器人结构设计023
2.1 人体上肢解剖学分析及数据采集024
2.1.1 肩关节分析024
2.1.2 肘关节分析026
2.1.3 腕关节分析027
2.1.4 人体上肢运动数据采集028
2.2 上肢康复机器人各关节结构设计032
2.2.1 肩关节结构设计033
2.2.2 肘关节结构设计035
2.2.3 腕关节结构设计037
2.3 上肢康复机器人总体结构041
2.4 本章小结042

第3章 上肢康复机器人运动学与动力学分析043
3.1 上肢康复机器人运动学分析044
3.1.1 正运动学044
3.1.2 逆运动学048
3.1.3 工作空间分析049
3.2 上肢康复机器人动力学分析053
3.3 上肢康复机器人仿真分析060
3.3.1 运动学仿真分析060
3.3.2 动力学仿真分析061
3.4 康复机器人关节空间轨迹规划064
3.5 本章小结067

第4章 绳索驱动腕部柔性并联机构力学性能分析069
4.1 腕关节并联机构小挠度性能分析070
4.1.1 考虑柔性振动因素的系统动力学建模070
4.1.2 逆运动学和静力学分析074
4.1.3 腕关节并联机构小挠度仿真分析077
4.1.4 腕关节并联机构工作空间分析079
4.2 腕关节并联机构大挠度性能分析079
4.2.1 运动学参数配置080
4.2.2 压缩弹簧参数配置081
4.2.3 逆运动学和静力学分析083
4.2.4 腕关节并联机构大挠度仿真分析089
4.3 本章小结091

第5章 上肢康复机器人控制系统设计093
5.1 RBFNN-ILC 控制器构建与分析094
5.1.1 迭代学习控制094
5.1.2 RBF神经网络控制095
5.1.3 RBFNN-ILC控制器设计095
5.1.4 稳定性分析099
5.1.5 仿真分析100
5.2 基于RBF 神经网络的滑模控制构建与分析103
5.2.1 系统模型建立及问题描述103
5.2.2 基于RBF神经网络逼近的滑模控制104
5.2.3 基于单参数的自适应滑模控制105
5.2.4 稳定性分析106
5.2.5 仿真分析108
5.3 本章小结113

第6章 上肢康复机器人样机研制及实验研究115
6.1 上肢康复机器人系统搭建及测试实验116
6.2 腕关节运动能力实验118
6.3 基于最优训练路径的上肢康复机器人实验研究122
6.3.1 被动运动康复训练实验122
6.3.2 主动运动康复训练实验126
6.3.3 示教训练实验131
6.4 本章小结134

参考文献135

人口老龄化的加剧、生活节奏的加快以及不良饮食习惯、环境等因素的影响，使得由脑卒中等原因造成的肢体运动障碍人数迅速增长，给患者家庭和社会带来沉重的负担。临床研究表明，病发后越早进行康复功能训练，越能最大程度地减少后遗症、降低致残率。康复机器人系统的应用为上肢康复训练开辟了新的有效途径，能够将康复医师从徒手高强度的康复训练中解放出来，有效促进社会康复治疗事业的发展。本书针对脑卒中患者中、后期主、被动康复训练的问题，探寻各康复阶段中不同患者的康复需求，设计开发了绳索驱动、串并联相结合的上肢外骨骼康复机器人关节结构康复系统，能够牵引有运动功能障碍的上肢，实现多个关节运动，完成活动范围与幅度较大的运动训练。对提高康复机器人系统技术水平、推动康复机器人与智能医疗系统临床应用技术推广具有重要的理论意义和参考价值。
本书在简要介绍上肢康复机器人技术发展的基础上，对可穿戴式上肢康复机器人结构设计方法进行了深入研究;在机器人结构基础上，对上肢康复机器人运动学、动力学进行分析，并基于运动学分析结果，研究了机器人轨迹规划方法;针对腕关节柔性并联机构支撑弹簧具有侧向弯曲特性，在充分考虑弹簧轴向柔性振动和径向柔性振动以及考虑弹簧轴向位移和柔性振动两种工况下，提出了一种有限转动张量和力与力矩平衡方程相结合的方法，验证了实验机构的合理性和分析方法的正确性;针对脑卒中偏瘫患者的被动康复训练轨迹跟踪问题，提出了一种基于RBF神经网络迭代学习方法，提高了系统的跟踪性能及轨迹跟踪误差的收敛速度。
本书在编写过程中，得到了北京大学喻俊志教授、长春工程学院张邦成教授、长春工业大学孙中波教授以及孙建伟教授的大力支持，在编写及校对过程中，吉林省智能制造技术工程研究中心高墨尧、李爽、刘帅、李也等多位同学也做了很多工作，在此一并向他们表示衷心感谢!
本书相关的研究工作得到了国家自然科学基金面上项目“基于最优训练路径的上肢康复机器人结构设计方法研究”(51875047)、吉林省科技厅重点研发项目“绳索驱动上肢外骨骼康复机器人关键技术研究与开发” (20220204102YY)、吉林省教育厅项目“基于张拉机构特性的上肢康复机器人关键技术研究与开发”(JJKH20200658KJ)的资助。
限于作者水平，不妥之处在所难免，恳请读者和相关专家批评指正。

著者