新型繩驅(qū)動并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計及分析.pdf

1、本文基于人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動的特點(diǎn)，提出一種適用于腳踝康復(fù)的新型三自由度繩驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)。由于新型等效球面副和動平臺的設(shè)計，機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心可以很容易地和踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動中心相重合，較目前存在的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，這是一個很大的優(yōu)點(diǎn)。本研究首次系統(tǒng)地將繩驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于踝關(guān)節(jié)康復(fù)領(lǐng)域，拓展了繩驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用范圍。主要研究內(nèi)容如下:
　　首先，結(jié)合解剖學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)及康復(fù)醫(yī)學(xué)等相關(guān)知識，分析了腳踝的運(yùn)動功能、損傷和康復(fù)訓(xùn)練。提出了新型繩驅(qū)動踝關(guān)節(jié)康

2、復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本原則，從原理上完成了機(jī)構(gòu)設(shè)計，在機(jī)構(gòu)原理設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成了機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并分別介紹了各部分的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，對所設(shè)計的繩驅(qū)動踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了自由度分析，初步驗證了其運(yùn)動性能。
　　然后，對繩驅(qū)動踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了分析，主要包括:采用封閉矢量法建立了機(jī)構(gòu)位置反解模型;推導(dǎo)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)速度和加速度反解;利用Rodridgues參數(shù)法和Newton-Raphson迭代法分別建立了機(jī)構(gòu)位置正解的解析解和

3、數(shù)值解模型;根據(jù)實例計算驗證了運(yùn)動學(xué)正反解模型的正確性，并繪制了機(jī)構(gòu)動平臺繞定軸轉(zhuǎn)動時四根驅(qū)動繩索長度、速度、加速度的變化曲線，為后續(xù)的分析奠定了理論基礎(chǔ)。
　　接著對繩驅(qū)動踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，分別求解了機(jī)構(gòu)的力可控和力可調(diào)工作空間，通過MATLAB繪制了兩種工作空間的范圍圖。對機(jī)構(gòu)驅(qū)動繩索張力的分配原則及張力分配算法進(jìn)行了分析及優(yōu)化。針對所設(shè)計的繩驅(qū)動踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)冗余度為1的特點(diǎn)，重新定義了驅(qū)動繩索張力的最低解、最

4、高解和最優(yōu)解，并通過仿真研究證明了張力分配算法的正確性。
　　利用牛頓歐拉法建立了機(jī)構(gòu)動平臺、驅(qū)動器及整個系統(tǒng)的動力學(xué)模型。對機(jī)構(gòu)的靈巧性和奇異性進(jìn)行了分析評價，從剛度的基本定義出發(fā)，推導(dǎo)了機(jī)構(gòu)的剛度矩陣，進(jìn)行了相應(yīng)的剛度數(shù)值計算，給出了機(jī)構(gòu)剛度矩陣的評價指標(biāo)。
　　最后，對繩驅(qū)動踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)建模，利用Adams軟件進(jìn)行了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真研究，完成了機(jī)構(gòu)的康復(fù)運(yùn)動軌跡規(guī)劃與仿真，仿真結(jié)果進(jìn)一步驗證了繩驅(qū)動