基于KinematiC-Mapping的運動綜合理論及其在輔助康復(fù)機構(gòu)中的應(yīng)用.pdf

1、機構(gòu)的運動綜合是從運動學(xué)的角度進行機構(gòu)設(shè)計，使其實現(xiàn)給定的運動方式。如何同時實現(xiàn)機構(gòu)的構(gòu)型綜合與尺度綜合是機構(gòu)綜合的一個難題。傳統(tǒng)的機構(gòu)運動綜合理論往往能得到數(shù)學(xué)意義上的最優(yōu)解，但無法根據(jù)服役環(huán)境、材料性能、精度要求等實際需求來進行調(diào)整和擴充，導(dǎo)致機構(gòu)無有效解，并且計算量隨位置數(shù)目遞增。在機構(gòu)應(yīng)用中，輔助康復(fù)機構(gòu)是近年興起的一種用于協(xié)助行動不便人士實現(xiàn)正常運動的設(shè)施?，F(xiàn)有的康復(fù)機構(gòu)大多為多關(guān)節(jié)多自由度機構(gòu)，通過協(xié)調(diào)控制的方式實現(xiàn)人體部位

2、相應(yīng)運動軌跡。人體各部位的運動軌跡有各自固定的模式和特點，理論上用結(jié)構(gòu)簡單、易控制、體積小、經(jīng)濟性好的少自由度機構(gòu)就能實現(xiàn)，用少自由度機構(gòu)實現(xiàn)人體部位運動軌跡的輔助康復(fù)裝置成為近年來的研究熱點。
　　本文以國家自然科學(xué)基金項目(51405128)基于運動學(xué)映射的平面/球面機構(gòu)構(gòu)型與尺度一體化運動綜合方法研究為依托，主要致力于基于Kinematic-Mapping理論的平面機構(gòu)的運動綜合方法的研究，拓展了平面運動的幾何約束類型并建立

3、了數(shù)學(xué)模型，完成了基于Kinematic-Mapping的平面N個位姿近似運動綜合方法和面向平面六桿機構(gòu)的五位姿精確運動綜合方法的理論推導(dǎo)?；谠摾碚摲椒ǎ\用MATLAB語言開發(fā)設(shè)計了《機構(gòu)運動學(xué)綜合交互軟件》，用以解決基于Kinematic-Mapping理論的機構(gòu)設(shè)計的設(shè)計計算、運動仿真等問題。提出了基于Kinematic-Mapping理論的康復(fù)機構(gòu)的通用設(shè)計方法，結(jié)合STS輔助康復(fù)機構(gòu)的設(shè)計結(jié)果，對理論進行了驗證，完成了軟件的

4、測試。
　　通過分析不同平面機構(gòu)可能存在的幾何約束形式，提煉出各類型運動的約束條件的幾何表達形式，將不同構(gòu)型機構(gòu)的運動分析與綜合的過程轉(zhuǎn)化成幾何層面的數(shù)學(xué)運算，并推導(dǎo)出各約束條件的通用數(shù)學(xué)表達式。
　　在分析平面N位姿近似運動綜合問題基礎(chǔ)上，提出了一種新的針對平面N個目標位姿可擴展機構(gòu)解空間的平面運動綜合方法，用以解決傳統(tǒng)機構(gòu)求解時出現(xiàn)的“數(shù)學(xué)意義上的精確解不存在”、“目標位姿多造成運算量大或無解”，“數(shù)學(xué)意義上的有限最優(yōu)解

5、不能滿足實際工程需求而無解”的問題。通過引入更多特征向量，擴大擬合誤差容許范圍的方法來進一步拓展解空間，獲得更多近似解。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實際需要選取最優(yōu)二桿組構(gòu)建成四桿機構(gòu)，實現(xiàn)給定位姿，同時完成機構(gòu)類型與尺度綜合。
　　面對“給定5個目標位姿精確運動綜合，不存在平面四桿機構(gòu)解”的問題，基于Kinematic-Mapping理論，提出了一種新的拓撲構(gòu)型設(shè)計/演化方案，用于構(gòu)造能夠精確通過五個任意平面位姿的瓦特型或斯蒂芬森型六桿機構(gòu)

6、。針對瓦特型和斯蒂芬森型六桿機構(gòu)的不同特征，推導(dǎo)了斯蒂芬森型六桿運動鏈和瓦特型六桿運動鏈的拓撲演化過程。建立了兩種拓撲型六桿機構(gòu)尺寸參數(shù)的確定方法。設(shè)計了瓦特型和斯蒂芬森型六桿機構(gòu)尺寸參數(shù)的通用設(shè)計流程，能夠快速有效地確定六桿機構(gòu)的構(gòu)型與尺寸。
　　基于以上理論開發(fā)了《平面運動綜合交互軟件》，該軟件能解決平面N位姿運動綜合、具有可拓展解空間的平面Ⅳ位姿運動綜合、以及面向平面六桿機構(gòu)的5位姿精確運動綜合的問題的設(shè)計計算和運動仿真。軟

7、件具有較好的通用性和穩(wěn)定性，只需輸入給定的欲實現(xiàn)的位姿數(shù)據(jù)，軟件內(nèi)部進行綜合，求解得到最適合給定位置的機構(gòu)，并在界面中給出機構(gòu)的運動仿真，用戶可以直觀比較機構(gòu)的運動位姿軌跡與給定位姿的誤差。
　　基于前述理論，運用平面運動綜合交互軟件，提出了一種針對人體STS(Sit-to-Stand，坐姿到站立)運動過程中不同部位位姿軌跡的輔助康復(fù)機構(gòu)設(shè)計方法，該方法以實現(xiàn)目標運動軌跡為導(dǎo)向，綜合考慮構(gòu)型綜合、尺度綜合以及多種實際約束條件，設(shè)計