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1、第38卷第5期哈尔滨工业大学学报Vol38No52006年5月JOURNALOFHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYMay2006五自由度上肢康复机械手臂的运动学分析吕广明,孙立宁,张博(哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001,E-mai:llgmhit@hit.edu.cn)摘要:针对五自由度上肢康复机械手臂,建立了机械手臂位置运动学方程的正解及雅戈比矩阵,并应用ADAMS对其进行了仿真分析,确定机械手臂在任意时刻的位置及速度,分析机械手臂各机构之间的位置及运动关系,为实际的医疗康复及机构
2、的智能控制控制提供了重要数据.关键词:康复机器人;机械手臂;运动学分析;ADAMS仿真中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:0367-6234(2006)05-0698-04Kinematicsanalysisofthe5-DOFrehabilitantmechanicalarmLUGuang-ming,SUNL-ining,ZHANGBo(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China,E-mai:llgmhit@hit.e
3、du.cn)Abstract:Therehabilitatingrobotisoneofthefocus-researchingprojectsatpresen.tThesolutionsoftheme-chanicalarmskinematicsequationaswellastheJacobinmatrixweresetupaccordingtothe5-DOFrehabi-litantmechanicalarm.ItalsoutilizedthemethodofADAMStosimulateandmakesurethepositionsandspeedso
4、fthemechanicalarmatanytimeandtherelationbetweeneachpartwithinthearm.Itofferedimpor-tantdatafortheactualintellectivecontrolofrehabilitatingrobo.tKeywords:rehabilitatingrobo;tmechanicalarm;kinematicsanalysis;ADAMSsimulation随着社会的发展,人们对医疗康复的要求越参数.来越高,其目的是克服人类由于意外事故、先天缺1运动学方程的建立陷、疾病、战争和
5、机体老化等因素产生的功能障碍或残疾,使其最大程度地恢复或代偿原有功能,实五自由度康复机械手臂,如图1所示,其自由[1]现最大限度的生活自理提高生活质量.目前,度模型如图2所示.其中,关节1和关节2组合相应用于四肢康复领域的产品功能单一,其应用范当于人体肩关节,连杆1绕关节1旋转为肩关节围仅限于局部关节,没有实现整个手臂各个关节屈/伸运动,连杆2绕关节2旋转为肩关节外展/内康复的集成产品,而且,现有产品的智能化程度不收运动;关节3相当于人体肘关节,连杆3绕关节3高.五自由度康复机械手臂正是针对目前手臂康旋转为肘关节屈/伸运动;连杆4绕关节4旋转为复领域缺少辅助治疗设
6、备的现状,提出的一种较前臂内旋/外旋运动;关节5相当于人体腕关节,连实用的解决方案.该手臂是穿戴式的,在设计时充杆5绕关节旋转为腕关节外展/内收运动.分考虑了穿戴的舒适性和经济性.本文针对此机把构件坐标系嵌入机械手臂的每一个连杆机械手臂的结构,从运动学的角度,进行了位置参数构中,可以用齐次变换来描述这些坐标系之间的及速度参数的分析,为机构的控制提供了运动学[2]相对位置和方向.描述一个连杆与下一个连杆之间关系的齐次变换阵记为A矩阵.A矩阵仅仅收稿日期:2004-07-09.是描述连杆机构坐标系之间相对平移和旋转的齐基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(86
7、3-2003AA404060).次变换.A1描述连杆1坐标系(o1-x1y1z1)相对作者简介:吕广明(1964-),男,副教授;孙立宁(1964-),男,教授,博士生导师.于基坐标系(o0-x0y0z0)的位置,A2描述连杆2第5期吕广明,等:五自由度上肢康复机械手臂的运动学分析699坐标系(o2-x2y2z2)相对于连杆1坐标系的位置,A5=Rot(Z5,5)Trans(0,0,-10)Rot(Y4,90)=[3]以此类推.0-S5C500C5S50.-100-100001这样机械手臂的末端相对于基坐标系的描述用[4]T5=A1A2A3A4A5给出,
8、经计算T5
