本發(fā)明屬于機器人自主控制領域，尤其是一種便攜式上肢康復機器人及其基于labview(laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench——實驗室虛擬儀器工程工作臺）的數(shù)字仿真實現(xiàn)方法。

背景技術：

上肢康復機器人的主要適于由于腦中風而造成骨骼、肌肉的功能喪失或衰退，以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷，無法形成對肢體運動的有效控制的患者。腦卒中（stroke）通常被稱為“中風”或腦血管意外，是指由急性腦血管疾病引起的持續(xù)性的大腦神經(jīng)功能缺損，患病者中有85%引起偏癱（hemiplegia）癥狀，尤其在老年人中居多。據(jù)資料統(tǒng)計，中國每年腦卒中新發(fā)病例約150萬，目前全國腦卒中患者為800多萬，殘障率高達75%。根據(jù)全球腦卒中死亡分布圖，中國每年腦卒中的死亡率約為151～251人／10萬人。2008年公布的中國居民第三次死因抽樣調查結果顯示：腦卒中已成為中國國民第一位的死亡原因．世界衛(wèi)生組monica研究數(shù)據(jù)顯示：中國腦卒中發(fā)生率高于全球平均水平，是美國的2倍以上，并以每年8.7%的速率上升。因此，上肢的康復訓練在國內尤為重要。在傳統(tǒng)的康復訓練中康復治療主要是通過康復治療師用針灸、按摩等方法或者借助一些簡易的醫(yī)療器械幫助患者恢復運動功能。首先，這使得康復訓練對人力和物力的要求比較高，昂貴的醫(yī)療費用對患者造成了沉重的經(jīng)濟負擔；其次，康復效果主要依靠醫(yī)療師的經(jīng)驗和主觀判斷，缺少客觀量化的評價；最后，康復訓練過程中，缺少舒適的支撐結構，這使得偏癱肢體在訓練中容易造成二次的傷害。

目前，上肢康復機器人可以分為兩大類，一類為末端牽引式康復機器人系統(tǒng)，另一類為外骨骼式康復機器人系統(tǒng)。隨著人們生活水平的提高，為了讓機器人更具有針對性，一些患者對機器人提出了個人化、家庭化的要求。因此，便攜式外骨骼康復機器人則備受歡迎。但是，現(xiàn)如今大多數(shù)上肢康復機器人存在一些問題，例如：體積大、結構復雜、使用不方便、多為單關節(jié)康復設備，集成度不高等。

在以往對上肢康復機器人的設計、仿真與控制項目中，人們主要通過兩種方式進行設計，一種是采用傳統(tǒng)的編程語言進行設計，如vb(visualbasic)、vc++(microsoftvisualc++)等；另一種是通過在三維建模軟件上進行二次開發(fā)來實現(xiàn)，如solidworks、ug(unigraphics)、pro/e(pro/engineerwildfire)等。前者在驅動控制方面的實現(xiàn)較為容易，但在仿真設計上過于繁瑣,后者則與之相反。

目前的建模工具有很多，但是在labview環(huán)境下支持的方法卻很少。一種方法是利用3dmax（3dstudiomax）軟件導出的ase文件與labview的接口技術實現(xiàn)圖形仿真，這種辦法雖然可行，但是程序運行比較慢,程序復雜,并且實體零件必須分開導入,不支持裝配體連接；第二種是利用labview自帶的3dpicturetoolkit自行建立三維模型，這種方法程序響應速度快，操作比較簡單，但是只適用于圓柱、方體等簡單模型，對于機構復雜的模型則實現(xiàn)困。本發(fā)明是利用labview與ptc-creo引擎技術，將ptc-creo的vrml導出的wrl文件導入到labview語言環(huán)境，利用labview語言強大的界面功能,結合labview的3dpicturecontroltoolkit進行三維圖形仿真模擬，圖形效果清晰，運動控制方便，給仿真工作帶來極大的方便。3dpicturecontroltoolkit是一個基于labview中3dpicture控件的三維模型建立及顯示控制實用函數(shù)的集合，包含了文件讀取、模型建立、運動關系控制、表面材質控制、顯示場景控制和觀察視角控制等功能函數(shù)。

labview不僅具有優(yōu)秀的軟件開發(fā)環(huán)境,也是功能強大的自動化測試工具?；趌abview的上肢康復機器人數(shù)字仿真系統(tǒng)利用三維圖形顯示控件構建上肢康復機器人的仿真顯示平臺，而且在labview環(huán)境中可以用niusb系列的數(shù)據(jù)采集卡為新型便攜式上肢康復機器人提供控制信號，可快速實現(xiàn)對上肢康復機器人的仿真與控制,縮短開發(fā)周期。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種便攜式上肢康復機器人及其基于labview的數(shù)字仿真實現(xiàn)方法，它可以克服現(xiàn)有的技術不足，是一種結構簡單、集成化程度高，使用方便的上肢康復機器人，且數(shù)字仿真實現(xiàn)方法利用labview與ptc-creo（parametrictechnologycorporationcreo）的引擎技術進行三維可視化圖形仿真，操作簡單，仿真效果逼真，可快速實現(xiàn)對新型便攜式上肢康復機器人的仿真與控制。

本發(fā)明的技術方案：一種便攜式上肢康復機器人，其特征在于它包括上肢結構和手部結構；其中，所述上肢結構是由肘部伸展/彎曲機構、腕部內/外旋運動機構和腕部伸展/彎曲機構組成；所述肘部伸展/彎曲機構和腕部內/外旋運動機構連接；所述上肢結構和手部結構之間則通過腕部伸展/彎曲機構連接。

所述手指結構是由手掌部分、大拇指彎曲/伸展機構和其他四個手指彎曲/伸展機構構成；所述大拇指彎曲/伸展機構和其他四個手指彎曲/伸展機構均與手掌部分連接，且通過手掌部分與腕部伸展/彎曲機構連接。

所述上肢結構是實現(xiàn)3個自由度康復訓練動作的結構；所述手指結構中，大拇指是可實現(xiàn)2個自由度康復訓練動作的結構，其他4個手指是分別可實現(xiàn)3個自由度康復訓練動作的結構，即手指結構是可以實現(xiàn)14個自由度康復訓練動作的結構。

所述肘部伸展/彎曲機構是由前臂弧形槽、上臂弧形槽、被動線輪、鋼絲繩i、主動線輪、步進電機i、連接片、電機座構成；所述被動線輪和連接片通過螺釘與上臂弧形槽固定連接；所述前臂弧形槽有左右旋轉軸的結構；所述被動線輪和連接片又分別與前臂弧形槽的左右旋轉軸連接；所述步進電機通過電機座與前臂弧形槽固定連接，所述電機座通過螺釘緊固在前臂弧形槽上；所述主動線輪與步進電機i的電機軸緊密連接，并隨著步進電機的轉動而轉動；所述被動線輪通過鋼絲繩i與主動線輪相連。

所述腕部內/外旋運動機構由上臂延伸桿、步進電機iii、主動齒輪ii、從動齒圈構成；所述上臂延伸桿上有“t”型槽，通過“t”型槽與上臂弧形槽連接；所述上臂延伸桿與上臂弧形槽的連接可以根據(jù)不同的人進行范圍調節(jié)，調整好范圍后利用彈簧銷緊固；所述步進電機iii通過螺釘固定在上臂延伸桿上；所述主動齒輪ii與步進電機iii的電機軸緊密連接，并隨著步進電機iii的軸的轉動而轉動；所述從動齒圈與主動齒輪ii嚙合連接；所述上臂延伸桿上有凸出的滑盤；所述從動齒圈上有與凸出滑盤相配合的凹陷的滑槽；滑盤可以在滑槽內光滑運動，使從動齒圈與上臂延伸桿形成弧形滑軌連接。

所述腕部伸展/彎曲機構由主動齒輪i、從動齒輪軸、步進電機ii、左聯(lián)件和右聯(lián)件構成；所述步進電機ii通過銷釘緊固在腕部內/外旋運動機構的從動齒圈上；所述主動齒輪i與步進電機ii的電機軸緊密連接，并隨電機軸的轉動而轉動，從動齒輪軸與主動齒輪i嚙合連接，且又與腕部內/外旋運動機構中的從動齒圈連接；所述右聯(lián)件通過銷釘與從動齒輪軸連接，并可以隨從動齒輪軸轉動而轉動；所述左聯(lián)件通過轉動銷與腕部內/外旋運動機構的從動齒圈連接；所述左聯(lián)件和右聯(lián)件分別連接手掌部分的左右兩邊。

所述從動齒圈由齒圈、卡盤、掛耳構成；所述掛耳固定在卡盤上，分右掛耳和左掛耳；所述步進電機ii則通過銷釘緊固在從動齒圈的卡盤的右掛耳上；所述從動齒輪軸與主動齒輪i嚙合連接，且又同時連接從動齒圈的卡盤的右掛耳；所述左聯(lián)件通過轉動銷與從動齒圈的卡盤的左掛耳連接。

所述手掌部分的左右兩邊有插板；所述左聯(lián)件和右聯(lián)件上有插槽；所述手掌部分的左右兩邊的插板分別插在左聯(lián)件和右聯(lián)件的插槽中。

所述大拇指彎曲/伸展機構由后關節(jié)座i、中關節(jié)槽i、輪桿i、連桿i、步進電機iv和鋼絲繩ii組成；所述后關節(jié)座i依卡槽連接手掌部分；所述卡槽設置在手部；所述連桿i與輪桿i通過轉動副連接，所述中關節(jié)槽i與連桿i和后關節(jié)座i分別通過兩個轉動副連接，形成一個可以實現(xiàn)大拇指伸展/彎曲的四連桿機構；所述步進電機iv通過螺釘固定在手掌部分上；所述便攜式上肢康復機器人是由步進電機iv通過鋼絲繩iis1帶動輪桿i旋轉進而推動四連桿機構運動實現(xiàn)的

所述的其他四個手指彎曲/伸展機構有四組，分別掌管其余四指動作，分別是由后關節(jié)座ii、中關節(jié)槽ii、前關節(jié)槽、輪桿ii、后齒輪桿、前齒輪桿、連桿ii、步進電機v、鋼絲繩iii嚙合齒輪i和嚙合齒輪ii組成；所述后關節(jié)座ii與手掌部分上的卡槽緊密連接；所述中關節(jié)槽ii通過轉動副與后關節(jié)座ii連接；所述前關節(jié)槽通過轉動副與中關節(jié)槽ii連接；所述輪桿ii通過轉動副與后關節(jié)座ii連接；所述后齒輪桿的兩端分別通過兩個轉動副與輪桿ii和中關節(jié)槽ii連接；所述前齒輪桿的兩端分別通過兩個轉動副與中關節(jié)槽ii和連桿ii連接；所述連桿ii的另一端與前關節(jié)槽通過轉動副連接；所述后關節(jié)座ii、輪桿ii、后齒輪桿、中關節(jié)槽ii形成后四連桿機構i；所述中關節(jié)槽ii、前齒輪桿、連桿ii、前關節(jié)槽形成前四連桿機構ii；后四連桿機構i與前四連桿機構ii通過一對嚙合齒輪i和嚙合齒輪ii連接；所述嚙合齒輪i和后齒輪桿是一體的；所述嚙合齒輪ii和前齒輪桿是一體的；所述步進電機v通過螺釘固定在手掌部分上；其他四個手指的伸展/彎曲運動則通過被步進電機v通過鋼絲繩iii帶動輪桿ii旋轉進而推動后四連桿機構i，再由一對8:5的嚙合齒輪i和嚙合齒輪ii將運動傳遞給前四連桿機構ii實現(xiàn)的。

一種便攜式上肢康復機器人的基于labview的數(shù)字仿真實現(xiàn)方法，其特征在于它包括以下步驟：

（1）利用ptc-creo三維軟件建立靜態(tài)便攜式上肢康復機器人上肢結構和手部結構的組件模型，然后導出vrml的wrl格式文件，為了提高圖形顯示效果，轉換后需要根據(jù)需求在labview程序中對調用的模型進行比例縮放；

（2）利用labview中3dpicturecontrol控件的子命令transformfunction的對象縮放命令對上肢結構和手部結構的組件進行比例縮放，在labview環(huán)境中縮放命令是將對象按x因子、y因子、z因子進行的比例縮放，所以在進行比例縮放時要對x因子、y因子、z因子進行相同的比例縮放倍數(shù)才不會導致縮放對象的失真，為了能夠在顯示面板上被清晰舒適地被觀察到上肢結構和手部結構的組件，在labview環(huán)境中調用組件模型；

（3）利用3dpicturecontroltoolkit的控制函數(shù)完成步驟（1）中的便攜式上肢康復機器人三維模型進行裝配；

（4）建立上肢結構和手部結構的組件之間的運動關系實現(xiàn)運動控制。根據(jù)組件的父子關系在labview中函數(shù)選板下的數(shù)值控件的中選擇“轉盤”旋鈕類型，旋鈕與setrotation.vi的“角”接線端連接，而setrotation.vi的“場景對象”接線端與需要旋轉的組件連接，這樣就可以通過旋鈕來實時控制便攜式上肢康復機器人模型在虛擬環(huán)境中的運動，運動組件的運動角度可以在前面板上的數(shù)值顯示控件中實時顯示出來，從而實現(xiàn)便攜式上肢康復機器人的數(shù)字仿真；

（5）利用labview的3dpicturecontroltoolkit中的圖形命令建立組件的圖形特征，主要包括表面材質、觀察視角、顯示比例、圖形位置，最終實現(xiàn)形象逼真的三維數(shù)字仿真。

所述步驟（3）中對便攜式上肢康復機器人三維模型進行裝配過程，由以下步驟構成：

①在labview環(huán)境下，由于wrl格式的文件只能識別三維模型的三維空間直角坐標系，因此首先需要在上肢結構和手部結構的組件上建立坐標系，坐標系的一般建立在兩個組件連接的位置，方便調用的時候裝配；

②利用“創(chuàng)建路徑”vi函數(shù)將上肢結構和手部結構的組件按名稱索引調用到同labview環(huán)境中，例如要將前臂弧形槽m1調用到場景中，則需要將“創(chuàng)建路徑”vi函數(shù)的索引字符串中寫上“前臂弧形槽.wrl”；

③利用3dpicturecontroltoolkit中的readwrlfile.vi函數(shù)和“添加對象”的調用節(jié)點將步驟（1）中得到的wrl文件，利用②的方法導入到labview的同一場景中；

④利用refnum的參考機制按照步驟③建立上肢結構和手部結構的組件的參考關系，并根據(jù)其父子關系，父子關系是兩個組件在調用裝配時的相對關系，例如要將前臂弧形槽m1與被動線輪a1調用裝配時，由于在運動時，被動線輪是繞著前臂弧形槽m1上的定軸旋轉的，所以在“添加對象”的調用節(jié)點中前臂弧形槽m1位于上層稱為父項，被動線輪a1位于下層稱為子項，將上肢結構和手部結構的組件進行精確連接；

⑤最后讓上肢結構和手部結構的組件在參考坐標系，一般以父項的坐標系為參考坐標系，下利用labview中的translateobject.vi和rotateobject.vi進行移動和旋轉，最終實現(xiàn)精確裝配。

本發(fā)明提出的便攜式上肢康復機器人的基于labview的數(shù)字仿真實現(xiàn)方法，仿真時只需要在前面板上控制“轉盤”旋鈕（旋鈕上有刻度，量程也可以根據(jù)用戶的情況自行設定）如圖6中d2上肢康復機器人各個關節(jié)運動的旋鈕控制模塊所示，即可控制對新型便攜式上肢康復機器人模型在虛擬環(huán)境中的運動，如圖6中d4是機器人三維圖片的運動狀態(tài)的展示模塊所示。而且，各關節(jié)的運動角度也可以在前面板上實時顯示出來，如圖6中d3各個關節(jié)運動角度的實時數(shù)字顯示模塊所示，仿真操作簡單，結果直觀清晰，操作者在操作時感覺像是在做游戲，增加了機械運動仿真的趣味性。另外，當需要模型的一個或多個關節(jié)到達指定角度時，本發(fā)明提出的便攜式上肢康復機器人的基于labview的數(shù)字仿真方法可以通過“轉盤”旋鈕快速實現(xiàn)，而不必像傳統(tǒng)仿真軟件如solidworks，adams(automaticdynamicanalysisofmechanicalsystem)一樣，需要對虛擬電機進行運動時間和運動速度進行參數(shù)設定才能達到要求，避免了復雜的參數(shù)設定。

本發(fā)明的工作原理：肘部伸展/彎曲運動，在便攜式上肢康復機器人中是被步進電機ia4通過主動線輪a3帶動鋼絲繩ia2進而帶動被動線輪a1旋轉，上臂弧形槽m3隨被動線輪a1旋轉而旋轉實現(xiàn)的。腕部的伸展/彎曲運動，在便攜式上肢康復機器人中是被步進電機iia8通過的主動齒輪ib4、被動齒輪軸b3實現(xiàn)的，傳動比為9:10，右聯(lián)件b2隨齒輪軸b3旋轉而旋轉，進而帶動手掌部分m5運動。腕部的內/外旋運動，在便攜式上肢康復機器人中是被步進電機iiia5通過的主動齒輪iia6、被動齒圈a7實現(xiàn)的，傳動比5:17。大拇指的伸展/彎曲運動，在便攜式上肢康復機器人中是被步進電機iva9（通過螺釘固定在手掌部分m5上）通過鋼絲繩iis1帶動輪桿ib6旋轉進而推動四連桿機構運動實現(xiàn)的。其他四個手指的伸展/彎曲運動（以食指為例）在便攜式上肢康復機器人中是被步進電機va10（通過螺釘固定在手掌部分m5上）通過鋼絲繩iiis2帶動輪桿iib12旋轉進而推動后四連桿機構ⅰ再由一對8:5的嚙合齒輪ib14和嚙合齒輪iib15將運動傳遞給前四連桿機構ⅱ實現(xiàn)的。

通過三維造型軟件完成新型上肢康復機器人的實體建模,然后結合vrml（virtualrealitymodelinglanguage）虛擬現(xiàn)實技術完成格式轉換，再利用labview的3dpicturecontroltoolkit實現(xiàn)虛擬機械部件的三維運動仿真，仿真過程中能夠在labview的前面板上顯示新型便攜式上肢康復機器人的虛擬三維模型，并通過設定不同虛擬數(shù)字虛擬按鈕控制新型便攜式上肢康復機器人不同關節(jié)的運動，其運動結果可以在前面板上實時顯示，效果形象逼真。

便攜式上肢康復機器人三維模型在三維造型軟件ptc-creo（parametrictechnologycorporationcreo）下設計的。包括了上肢部分和手指部分，其中上肢部分在設計上可以實現(xiàn)3個自由度的康復訓練動作：肘部的伸展/彎曲、腕部的伸展/彎曲、腕部的內/外旋。手指部分除大拇指2個自由度外，其他4個手指各3個自由度，手指部分可以實現(xiàn)14個自由度的康復訓練動作：大拇指mcp(metacarpophalangeal)掌指關節(jié)和dip(distalinterphalangeal)遠端指間關節(jié)的彎曲和伸展運動；其他四個手指mcp(metacarpophalangeal)掌指關節(jié)、手指pip(proximalinterphalangeal)近端指間關節(jié)和dip(distalinterphalangeal)遠端指間關節(jié)的彎曲和伸展運動。

在labview環(huán)境下上肢康復機器人各組件在運動過程中，其子項會隨著父項的運動而運動，在不對子項進行運動控制時，父子關系項的組件其相對位置不會發(fā)生改變，因此在labview環(huán)境下對上肢康復機器人的裝配過程中，確定組件的父子關系尤為重要，只有正確的建立父子關系才能在虛擬環(huán)境中對康復機器人的運動做到精確無誤的控制。而如果需要父子關系的組件發(fā)生相對運動時，則需要以子項組件的坐標系即相對坐標系（父項為參考坐標系）為基準進行旋轉、移動運動命令的操作。ptc-creo三維軟件中可在所建模型的任意位置建立空間直角坐標系，只需在導出vrml的wrl文件時先擇所需坐標系即可。

本發(fā)明的優(yōu)越性：本發(fā)明提出的便攜式上肢康復機器人使用方便、便于攜帶、結構簡單、集成化程度高（包括了上肢和手指在內的17個自由度）、采用模塊化設計，上肢和手指部分可以單獨進行康復訓練也可以結合在一起綜合訓練，拆裝方便。另外，本發(fā)明提出的便攜式上肢康復機器人基于labview的數(shù)字仿真技術,通過三維造型軟件ptc-creo完成實體建模后，結合vrml（virtualrealitymodelinglanguage）虛擬現(xiàn)實技術完成格式轉換，再利用labview的3dpicturecontroltoolkit實現(xiàn)虛擬機械部件的三維運動仿真,以達到了解實體結構和運動特征的目的，操作簡單，仿真效果逼真，解決大多數(shù)仿真設計過程中過于繁瑣以及復雜的參數(shù)設定的問題。

利用labview與ptc-creo的引擎技術進行三維可視化圖形仿真,操作簡單,仿真效果逼真?；趌abview的新型便攜式上肢康復機器人控制與仿真系統(tǒng),通過labview的三維圖形顯示控件對機器人進行仿真顯示,仿真模型可模擬新型便攜式上肢康復機器人的虛擬運動。操作者可以在控制界面清晰直觀地觀察到仿真時各關節(jié)的旋轉角度，做到了運動過程中實時的數(shù)字仿真顯示，增加了機械運動仿真的趣味性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所涉一種便攜式上肢康復機器人的整體結構示意圖。

圖2為本發(fā)明所涉一種便攜式上肢康復機器人中手部結構的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明所涉一種便攜式上肢康復機器人的基于labview的數(shù)字仿真實現(xiàn)方法的步驟流程示意圖。

圖4為本發(fā)明所涉一種便攜式上肢康復機器人的基于labview的數(shù)字仿真實現(xiàn)方法控制（首次和非首次運行）流程示意圖。

圖5為本發(fā)明所涉一種便攜式上肢康復機器人的基于labview的數(shù)字仿真實現(xiàn)方法在labview環(huán)境下的編程圖示意圖。

圖6為本發(fā)明所涉一種便攜式上肢康復機器人的基于labview的數(shù)字仿真實現(xiàn)方法在labview環(huán)境下的前面板仿真展示示意圖。

其中，a1為被動線輪；a2為鋼絲繩i；a3為主動線輪；a4為步進電機i；a5為步進電機iii；a6為主動齒輪ii；a7為從動齒圈；a8為步進電機ii；a9為步進電機iv；a10為步進電機v（用于食指伸展/彎曲運動）；a11為連接片；a12為電機座；b1為左聯(lián)件；b2為右聯(lián)件；b3為從動齒輪軸；b4為主動齒輪i；b5為后關節(jié)座i；b8為中關節(jié)槽i；b6為輪桿i；b7為連桿i；b9為后關節(jié)座ii；b10為中關節(jié)槽ii；b11為前關節(jié)槽；b12為輪桿ii；b13為后齒輪桿；b14為嚙合齒輪i；b15為嚙合齒輪ii；b16為前齒輪桿；b17為連桿；m1為前臂部分的弧形槽；m2為肘部的屈/伸運動關節(jié)；m3為上臂的弧形槽；m4為上臂延伸桿；m5為手掌部分；s1為鋼絲繩ii；s2為鋼絲繩iii；c1為while循環(huán)結構；c2移位寄存器；d1為系統(tǒng)場景的上下、左右移動以及三位圖片的比例縮放控制模塊；d2為上肢康復機器人各個關節(jié)運動的旋鈕控制模塊；d3為各個關節(jié)運動角度的實時數(shù)字顯示模塊；d4為機器人三維圖片的運動狀態(tài)的展示模塊。

具體實施方式

實施例：一種便攜式上肢康復機器人（見圖1），其特征在于它包括上肢結構和手部結構；其中，所述上肢結構是由肘部伸展/彎曲機構、腕部內/外旋運動機構和腕部伸展/彎曲機構組成；所述肘部伸展/彎曲機構和腕部內/外旋運動機構連接；所述上肢結構和手部結構之間則通過腕部伸展/彎曲機構連接。

所述手指結構（見圖1）是由手掌部分m5、大拇指彎曲/伸展機構和其他四個手指彎曲/伸展機構構成；所述大拇指彎曲/伸展機構和其他四個手指彎曲/伸展機構均與手掌部分連接，且通過手掌部分與腕部伸展/彎曲機構連接。

所述上肢結構是實現(xiàn)3個自由度康復訓練動作的結構；所述手指結構中，大拇指是可實現(xiàn)2個自由度康復訓練動作的結構，其他4個手指是分別可實現(xiàn)3個自由度康復訓練動作的結構，即手指結構是可以實現(xiàn)14個自由度康復訓練動作的結構。

所述肘部伸展/彎曲機構（見圖1）是由前臂弧形槽m1、上臂弧形槽m3、被動線輪a1、鋼絲繩ia2、主動線輪a3、步進電機ia4、連接片a11、電機座a12構成；所述被動線輪a1和連接片a11通過螺釘與上臂弧形槽m3固定連接；所述前臂弧形槽m1有左右旋轉軸的結構；所述被動線輪a1和連接片a11又分別與前臂弧形槽m1的左右旋轉軸連接；所述步進電機ia4通過電機座a12與前臂弧形槽m1固定連接，所述電機座a12通過螺釘緊固在前臂弧形槽m1上；所述主動線輪a3與步進電機ia4的電機軸緊密連接，并隨著步進電機的轉動而轉動；所述被動線輪a1通過鋼絲繩ia2與主動線輪a3相連。

所述腕部內/外旋運動機構（見圖1）由上臂延伸桿m4、步進電機iiia5、主動齒輪iia6、從動齒圈a7構成；所述上臂延伸桿m4上有“t”型槽，通過“t”型槽與上臂弧形槽m3連接；所述上臂延伸桿m4與上臂弧形槽m3的連接可以根據(jù)不同的人進行范圍調節(jié)，調整好范圍后利用彈簧銷緊固；所述步進電機iiia5通過螺釘固定在上臂延伸桿m4上；所述主動齒輪iia6與步進電機iiia5的電機軸緊密連接，并隨著步進電機iiia5的軸的轉動而轉動；所述從動齒圈a7與主動齒輪iia6嚙合連接；所述上臂延伸桿m4上有凸出的滑盤；所述從動齒圈a7上有與凸出滑盤相配合的凹陷的滑槽；滑盤可以在滑槽內光滑運動，使從動齒圈a7與上臂延伸桿m4形成弧形滑軌連接。

所述腕部伸展/彎曲機構（見圖1、圖2）由主動齒輪ib4、從動齒輪軸b3、步進電機iia8、左聯(lián)件b1和右聯(lián)件b2構成；所述步進電機iia8通過銷釘緊固在腕部內/外旋運動機構的從動齒圈a7上；所述主動齒輪ib4與步進電機iia8的電機軸緊密連接，并隨電機軸的轉動而轉動，從動齒輪軸b3與主動齒輪ib4嚙合連接，且又與腕部內/外旋運動機構中的從動齒圈a7連接；所述右聯(lián)件b2通過銷釘與從動齒輪軸b3連接，并可以隨從動齒輪軸b3轉動而轉動；所述左聯(lián)件b1通過轉動銷與腕部內/外旋運動機構的從動齒圈a7連接；所述左聯(lián)件b1和右聯(lián)件b2分別連接手掌部分m5的左右兩邊。

所述從動齒圈a7由齒圈、卡盤、掛耳構成；所述掛耳固定在卡盤上，分右掛耳和左掛耳；所述步進電機iia8則通過銷釘緊固在從動齒圈a7的卡盤的右掛耳上；所述從動齒輪軸b3與主動齒輪ib4嚙合連接，且又同時連接從動齒圈a7的卡盤的右掛耳；所述左聯(lián)件b1通過轉動銷與從動齒圈a7的卡盤的左掛耳連接（見圖1、圖2）。

所述手掌部分m5的左右兩邊有插板；所述左聯(lián)件b1和右聯(lián)件b2上有插槽；所述手掌部分m5的左右兩邊的插板分別插在左聯(lián)件b1和右聯(lián)件b2的插槽中（見圖1）。

所述大拇指彎曲/伸展機構（見圖1、圖2）由后關節(jié)座ib5、中關節(jié)槽ib8、輪桿ib6、連桿ib7、步進電機iva9和鋼絲繩iis1組成；所述后關節(jié)座ib5依卡槽連接手掌部分m5；所述卡槽設置在手部；所述連桿ib7與輪桿ib6通過轉動副連接，所述中關節(jié)槽ib8與連桿ib7和后關節(jié)座ib5分別通過兩個轉動副連接，形成一個可以實現(xiàn)大拇指伸展/彎曲的四連桿機構；所述步進電機iva9通過螺釘固定在手掌部分m5上；所述便攜式上肢康復機器人是由步進電機iva9通過鋼絲繩iis1帶動輪桿ib6旋轉進而推動四連桿機構運動實現(xiàn)的

所述的其他四個手指彎曲/伸展機構有四組（見圖1、圖2），分別掌管其余四指動作，分別是由后關節(jié)座iib9、中關節(jié)槽iib10、前關節(jié)槽b11、輪桿iib12、后齒輪桿b13、前齒輪桿b16、連桿iib17、步進電機va10、鋼絲繩iiis2嚙合齒輪ib14和嚙合齒輪iib15組成；所述后關節(jié)座iib9與手掌部分m5上的卡槽緊密連接；所述中關節(jié)槽iib10通過轉動副與后關節(jié)座iib9連接；所述前關節(jié)槽b11通過轉動副與中關節(jié)槽iib10連接；所述輪桿iib12通過轉動副與后關節(jié)座iib9連接；所述后齒輪桿b13的兩端分別通過兩個轉動副與輪桿iib12和中關節(jié)槽iib10連接；所述前齒輪桿b16的兩端分別通過兩個轉動副與中關節(jié)槽iib10和連桿iib17連接；所述連桿iib17的另一端與前關節(jié)槽b11通過轉動副連接；所述后關節(jié)座iib9、輪桿iib12、后齒輪桿b13、中關節(jié)槽iib10形成后四連桿機構i；所述中關節(jié)槽iib10、前齒輪桿b16、連桿iib17、前關節(jié)槽b11形成前四連桿機構ii；后四連桿機構i與前四連桿機構ii通過一對嚙合齒輪ib14和嚙合齒輪iib15連接；所述嚙合齒輪ib14和后齒輪桿b13是一體的；所述嚙合齒輪iib15和前齒輪桿b16是一體的；所述步進電機va10通過螺釘固定在手掌部分m5上；其他四個手指的伸展/彎曲運動則通過被步進電機va10通過鋼絲繩iiis2帶動輪桿iib12旋轉進而推動后四連桿機構i，再由一對8:5的嚙合齒輪ib14和嚙合齒輪iib15將運動傳遞給前四連桿機構ii實現(xiàn)的。

一種便攜式上肢康復機器人的基于labview的數(shù)字仿真實現(xiàn)方法，其特征在于它包括以下步驟：

（1）利用ptc-creo三維軟件建立靜態(tài)便攜式上肢康復機器人上肢結構和手部結構的組件模型，然后導出vrml的wrl格式文件，為了提高圖形顯示效果，轉換后需要根據(jù)需求在labview程序中對調用的模型進行比例縮放；

（2）利用labview中3dpicturecontrol控件的子命令transformfunction的對象縮放命令對上肢結構和手部結構的組件進行比例縮放，在labview環(huán)境中縮放命令是將對象按x因子、y因子、z因子進行的比例縮放，所以在進行比例縮放時要對x因子、y因子、z因子進行相同的比例縮放倍數(shù)才不會導致縮放對象的失真，為了能夠在顯示面板上被清晰舒適地被觀察到上肢結構和手部結構的組件，在labview環(huán)境中調用組件模型，本發(fā)明將組件模型利用labview中的scaleobject.vi放大了10倍；

（3）利用3dpicturecontroltoolkit的控制函數(shù)完成步驟（1）中的便攜式上肢康復機器人三維模型進行裝配；

（4）建立上肢結構和手部結構的組件之間的運動關系實現(xiàn)運動控制。根據(jù)組件的父子關系在labview中函數(shù)選板下的數(shù)值控件的中選擇“轉盤”旋鈕類型，旋鈕與setrotation.vi的“角”接線端連接，而setrotation.vi的“場景對象”接線端與需要旋轉的組件連接，這樣就可以通過旋鈕來實時控制便攜式上肢康復機器人模型在虛擬環(huán)境中的運動，運動組件的運動角度可以在前面板上的數(shù)值顯示控件中實時顯示出來，從而實現(xiàn)便攜式上肢康復機器人的數(shù)字仿真；

（5）利用labview的3dpicturecontroltoolkit中的圖形命令建立組件的圖形特征，主要包括表面材質、觀察視角、顯示比例、圖形位置，最終實現(xiàn)形象逼真的三維數(shù)字仿真。

所述步驟（3）中對便攜式上肢康復機器人三維模型進行裝配過程，由以下步驟構成：

①在labview環(huán)境下，由于wrl格式的文件只能識別三維模型的三維空間直角坐標系，因此首先需要在上肢結構和手部結構的組件上建立坐標系，坐標系的一般建立在兩個組件連接的位置，方便調用的時候裝配；

②利用“創(chuàng)建路徑”vi函數(shù)將上肢結構和手部結構的組件按名稱索引調用到同labview環(huán)境中，例如要將前臂弧形槽m1調用到場景中，則需要將“創(chuàng)建路徑”vi函數(shù)的索引字符串中寫上“前臂弧形槽.wrl”；

③利用3dpicturecontroltoolkit中的readwrlfile.vi函數(shù)和“添加對象”的調用節(jié)點將步驟（1）中得到的wrl文件，利用②的方法導入到labview的同一場景中；

④利用refnum的參考機制按照步驟③建立上肢結構和手部結構的組件的參考關系，并根據(jù)其父子關系，父子關系是兩個組件在調用裝配時的相對關系，例如要將前臂弧形槽m1與被動線輪a1調用裝配時，由于在運動時，被動線輪是繞著前臂弧形槽m1上的定軸旋轉的，所以在“添加對象”的調用節(jié)點中前臂弧形槽m1位于上層稱為父項，被動線輪a1位于下層稱為子項，將上肢結構和手部結構的組件進行精確連接；

⑤最后讓上肢結構和手部結構的組件在參考坐標系，一般以父項的坐標系為參考坐標系，下利用labview中的translateobject.vi和rotateobject.vi進行移動和旋轉，最終實現(xiàn)精確裝配。

為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結合附圖和實施例對技術方案作進一步說明。

如圖1所示，新型便攜式上肢康復機器人在結構上主要包括了上臂、前臂和手部三個主要部分，手部由手掌和五個手指組成。上肢的主要特點在于上肢骨纖細輕巧、具有運動多樣性、不存在類似下肢運動的步態(tài)周期等方面，本發(fā)明的新型便攜式上肢康復機器人根據(jù)人體工程學的原理進行三維建模設計。其中，上臂、前臂和手指部分考慮到穿戴者的舒適程度，采用了橢圓形的弧形槽設計能夠很好地與人體上肢契合。例如m5為新型便攜式上肢康復機器人的手部可以為患者進行手指的康復訓練，m1為前臂部分的弧形槽，m2為肘部的屈/伸運動關節(jié)，m3為上臂的弧形槽。

圖2為本發(fā)明提出的上肢康復機器人的手部三維結構示意圖，圖中連接件b1、b2連接上肢部分和手指部分。當需要把手指部分和上肢部分分開來進行單獨康復訓練時，只需要把手掌部分m5從連接件b1和b2的插槽中拔出即可，方便快捷。連接時可以進行綜合的康復訓練。

肘部的伸展/彎曲運動，在新型上肢康復機器人中是被步進電機ia4通過鋼絲繩ia2帶動被動線輪a1再由被動線輪旋轉帶動上臂實現(xiàn)的，主動線輪a3與步進電機的電機軸連接；腕部的伸展/彎曲運動，在新型上肢康復機器人中是被步進電機通過一對9:10的主動齒輪ib4和從動齒輪軸b3實現(xiàn)的，主動齒輪與步進電機iia8的電機軸相連；腕部的內/外旋運動，在新型上肢康復機器人中是被步進電機通過一對5:17的主動齒輪iia6和從動齒圈a7實現(xiàn)的，主動齒輪與步進電機iiia5的電機軸相連；大拇指的伸展/彎曲運動，在新型上肢康復機器人中是被步進電機iva9通過鋼絲繩iis1帶動一個四連桿機構實現(xiàn)的，四連桿機構后關節(jié)座ib5、輪桿ib6、連桿ib7、中關節(jié)槽ib8形成后四連桿機構，其中輪桿ib6與鋼絲繩iis1相連；其余四根手指的伸展/彎曲運動是被步進電機通過鋼絲繩帶動兩個四連桿機構i和ii實現(xiàn)的，后關節(jié)座iib9、輪桿iib12、后齒輪桿b13、中關節(jié)槽iib10形成后四連桿機構i；中關節(jié)槽iib10、前齒輪桿b16、連桿iib17、前關節(jié)槽b11形成前四連桿機構ii，而且兩個四連桿機構之間由一對8:5的嚙合齒輪ib14和嚙合齒輪iib15進行機構傳動的。

所述的電機都是通過電機座固定在新型上肢康復機器人上的。手指部分和上肢部分是通過兩個連接件b1、b2連接起來的，連接件b2與齒輪軸b3連接在一起，隨著齒輪軸b3的旋轉帶動手指部分運動實現(xiàn)腕部的彎曲/伸展運動。

下面結合附圖2，本發(fā)明提出的上肢康復機器人的手部三維結構示意圖，對本發(fā)明做進一步說明：

圖2為本發(fā)明提出的上肢康復機器人的手部三維結構示意圖，圖中連接件b1、b2連接上肢部分和手指部分。當需要把手指部分和上肢部分分開來進行單獨康復訓練時，只需要把手指部分從連接件b1和b2中拔出即可，方便快捷。連接時可以進行綜合的康復訓練。

圖3為本發(fā)明的流程示意圖，圖示為本發(fā)明的4個關鍵步驟：第一步，借助ptc-creo三維設計軟件對新型便攜式上肢康復機器人進行設計和三維實體建模；第二步，在ptc-creo環(huán)境下對機器人的三維實體模型進行格式的轉化，把便攜式上肢康復機器人的組件轉化為labview可識別的wrl格式文件；第三步，在labview環(huán)境下對轉化后的wrl文件進行調用，并進行新型便攜式上肢康復機器人的靜態(tài)組裝；第四步，在labview環(huán)境下對調用的wrl文件進行控制以實現(xiàn)數(shù)字仿真。

具體操作如下：一種便攜式上肢康復機器人的基于labview的數(shù)字仿真實現(xiàn)方法，其特征在于它包括以下步驟：

（1）利用ptc-creo三維軟件建立靜態(tài)便攜式上肢康復機器人上肢結構和手部結構的組件模型，然后導出vrml的wrl格式文件，為了提高圖形顯示效果，轉換后需要根據(jù)需求在labview程序中對調用的模型進行比例縮放；

（2）利用labview中3dpicturecontrol控件的子命令transformfunction的對象縮放命令對上肢結構和手部結構的組件進行比例縮放，在labview環(huán)境中縮放命令是將對象按x因子、y因子、z因子進行的比例縮放，所以在進行比例縮放時要對x因子、y因子、z因子進行相同的比例縮放倍數(shù)才不會導致縮放對象的失真，為了能夠在顯示面板上被清晰舒適地被觀察到上肢結構和手部結構的組件，在labview環(huán)境中調用組件模型，本發(fā)明將組件模型利用labview中的scaleobject.vi放大了10倍；

（3）利用3dpicturecontroltoolkit的控制函數(shù)完成步驟（1）中的便攜式上肢康復機器人三維模型進行裝配；

①在labview環(huán)境下，由于wrl格式的文件只能識別三維模型的三維空間直角坐標系，因此首先需要在上肢結構和手部結構的組件上建立坐標系，坐標系的一般建立在兩個組件連接的位置，方便調用的時候裝配；

②利用“創(chuàng)建路徑”vi函數(shù)將上肢結構和手部結構的組件按名稱索引調用到同labview環(huán)境中，例如要將前臂弧形槽m1調用到場景中，則需要將“創(chuàng)建路徑”vi函數(shù)的索引字符串中寫上“前臂弧形槽.wrl”；

③利用3dpicturecontroltoolkit中的readwrlfile.vi函數(shù)和“添加對象”的調用節(jié)點將步驟（1）中得到的wrl文件，利用②的方法導入到labview的同一場景中；

④利用refnum的參考機制按照步驟③建立上肢結構和手部結構的組件的參考關系，并根據(jù)其父子關系，父子關系是兩個組件在調用裝配時的相對關系，例如要將前臂弧形槽m1與被動線輪a1調用裝配時，由于在運動時，被動線輪是繞著前臂弧形槽m1上的定軸旋轉的，所以在“添加對象”的調用節(jié)點中前臂弧形槽m1位于上層稱為父項，被動線輪a1位于下層稱為子項，將上肢結構和手部結構的組件進行精確連接；

⑤最后讓上肢結構和手部結構的組件在參考坐標系，一般以父項的坐標系為參考坐標系，下利用labview中的translateobject.vi和rotateobject.vi進行移動和旋轉，最終實現(xiàn)精確裝配。

（4）建立上肢結構和手部結構的組件之間的運動關系實現(xiàn)運動控制。根據(jù)組件的父子關系在labview中函數(shù)選板下的數(shù)值控件的中選擇“轉盤”旋鈕類型，旋鈕與setrotation.vi的“角”接線端連接，而setrotation.vi的“場景對象”接線端與需要旋轉的組件連接，這樣就可以通過旋鈕來實時控制便攜式上肢康復機器人模型在虛擬環(huán)境中的運動，運動組件的運動角度可以在前面板上的數(shù)值顯示控件中實時顯示出來，從而實現(xiàn)便攜式上肢康復機器人的數(shù)字仿真；

（5）利用labview的3dpicturecontroltoolkit中的圖形命令建立組件的圖形特征，主要包括表面材質、觀察視角、顯示比例、圖形位置，最終實現(xiàn)形象逼真的三維數(shù)字仿真。

在圖4的控制流程示意圖中，如果是首次運行設計的仿真程序需要識別調用的wrl文件，為了更好的對組件進行控制需要建立組件間準確的父子關系和合適的組件參考關系，然后還需要對三維圖片的視角、背景顏色、燈光參數(shù)進行設置以便達到更好的展示效果。設定完運動參數(shù)后，在輸入運動控制參數(shù)時圖像隨之刷新實時改變運動狀態(tài)。

圖5為本發(fā)明的labview編程圖，labview這一具有革命性的g語言虛擬儀器編程環(huán)境,摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復雜性,為我們提供強大功能的同時還保證了系統(tǒng)靈活性。在數(shù)據(jù)采集和儀器控制、自動化測試、工業(yè)控制和測量、嵌入式設計等方面有著廣泛的應用。與傳統(tǒng)的編程方式相比,使用labview設計虛擬儀器,可以提高效率4-10倍。同時,利用其模塊化和遞歸方式,用戶可以在很短的時間內構建、設計和更改自己的虛擬儀器系統(tǒng)。圖5就是根據(jù)本發(fā)明的要求設計出的后面板系統(tǒng)框圖。本發(fā)明用的是while循環(huán)結構c1沒有循環(huán)次數(shù)的限制，只要點擊運行程序命令，操作者可以一直對前面板（圖6）的操作命令進行操作，而且在while循環(huán)結構中還添加了移位寄存器c2，把上一次操作命令的數(shù)據(jù)傳遞到下一次操作命令的過程中，保證了各操作命令之間的連續(xù)性。當需要停止操作時，只需要點擊命令欄中的“結束”命令即可退出循環(huán)操作。

圖6中，labview環(huán)境中數(shù)值輸入控件有多種類型可供用戶選擇，有旋鈕式、轉盤式、儀表式、水平填充滑桿式、豎直填充滑桿式、水平進度條式等，用戶可以根據(jù)自身需求做出美觀化的界面設計。d1是系統(tǒng)場景的上下、左右移動以及三位圖片的比例縮放控制模塊；d2是上肢康復機器人各個關節(jié)運動的旋鈕控制模塊；d3是各個關節(jié)運動角度的實時數(shù)字顯示模塊；d4是機器人三維圖片的運動狀態(tài)的展示模塊。

以上對本發(fā)明的實施例進行了詳細說明，凡依據(jù)本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內。