新型繩驅(qū)動并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)設(shè)計及分析.pdf

1、本文基于人體踝關(guān)節(jié)運動的特點，提出一種適用于腳踝康復的新型三自由度繩驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)。由于新型等效球面副和動平臺的設(shè)計，機構(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)康復機器人，這是一個很大的優(yōu)點。本研究首次系統(tǒng)地將繩驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)應用于踝關(guān)節(jié)康復領(lǐng)域，拓展了繩驅(qū)動技術(shù)的應用范圍。主要研究內(nèi)容如下:
　　首先，結(jié)合解剖學、臨床醫(yī)學及康復醫(yī)學等相關(guān)知識，分析了腳踝的運動功能、損傷和康復訓練。提出了新型繩驅(qū)動踝關(guān)節(jié)康

2、復機構(gòu)設(shè)計的基本原則，從原理上完成了機構(gòu)設(shè)計，在機構(gòu)原理設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成了機構(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)康復機構(gòu)進行了自由度分析，初步驗證了其運動性能。
　　然后，對繩驅(qū)動踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)的運動學進行了分析，主要包括:采用封閉矢量法建立了機構(gòu)位置反解模型;推導了機構(gòu)運動學速度和加速度反解;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)實例計算驗證了運動學正反解模型的正確性，并繪制了機構(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)康復機構(gòu)進行了靜力學分析，分別求解了機構(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。對機構(gòu)驅(qū)動繩索張力的分配原則及張力分配算法進行了分析及優(yōu)化。針對所設(shè)計的繩驅(qū)動踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)冗余度為1的特點，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構(gòu)動平臺、驅(qū)動器及整個系統(tǒng)的動力學模型。對機構(gòu)的靈巧性和奇異性進行了分析評價，從剛度的基本定義出發(fā)，推導了機構(gòu)的剛度矩陣，進行了相應的剛度數(shù)值計算，給出了機構(gòu)剛度矩陣的評價指標。
　　最后，對繩驅(qū)動踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)進行了虛擬樣機建模，利用Adams軟件進行了相應的機構(gòu)運動學仿真研究，完成了機構(gòu)的康復運動軌跡規(guī)劃與仿真，仿真結(jié)果進一步驗證了繩驅(qū)動