随着现代康复医学的发展,利用机器人康复训练系统进行偏瘫患者的肢体功能恢复已成为国内外研究的热点之一。本课题研究的是一种五自由度上肢康复机器人,它与人体手臂的运动相适应。它可以通过带动患者进行康复训练,使患者有运动障碍的上肢得到恢复。为了模拟康复医师对患者进行治疗时患者手臂的运动规律,本文利用7阶B样条多项式插值方法进行上肢康复机器人轨迹规划,并在此基础上结合轨迹平滑度指标、能量消耗指标、人体运动复杂度Fitts指标,优化设计五自由度上肢康复训练轨迹。本文的主要研究内容如下:(1)建立运动学和动力学模型。首先,对五自由度上肢康复机器人的运动系统作了较深入的分析与研究,通过D-H法建立了坐标变换矩阵,推算出了运动方程的正、逆解的求解公式;其次,以拉格朗日方程法为基础建立五自由度上肢康复机器人的动力学模型,分析其运行过程中的动力学特性,最后,对运动学和动力学模型进行仿真验证。(2)为了提高所得到的轨迹与人体动作的相似度,并且保证所得轨迹在机器人硬件平台上的可实现性,需要对示教点进行插补。针对上肢康复机器人在笛卡尔空间的轨迹规划,单关节运动采用直线、圆弧插补,多关节复合运动采用三次B样条曲线进行插补。(3)对五自由度康复机器人采用7阶B样条多项式插值方法来建立给定运动轨迹离散点集与多项式函数的映射关系,在给定起始位置与终止位置的速度、加速度、加加速度基础上,给出运动轨迹离散点集的7阶多项式表达式,保证运动轨迹曲线的可导性和光滑性。(4)在考虑康复训练的位置、速度、加速度等运动参数约束的基础上,进一步结合轨迹平顺度指标、能量消耗指标、人体运动复杂度Fitts指标等指标,将所考虑的上肢康复训练运动轨迹规划问题转化为受约束的非线性多目标优化问题,采用遗传算法来优化设计五自由度上肢康复训练运动轨迹。仿真结果表明,在考虑各项约束和指标的情况下,生成的轨迹与人体上肢运动规律一致,符合康复医学的要求。