新型绳驱动并联踝关节康复机构设计及分析

发布时间：2017-11-02 17:23

  本文关键词：新型绳驱动并联踝关节康复机构设计及分析

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【摘要】：本文基于人体踝关节运动的特点,提出一种适用于脚踝康复的新型三自由度绳驱动并联机构。由于新型等效球面副和动平台的设计,机构的转动中心可以很容易地和踝关节的转动中心相重合,较目前存在的踝关节康复机器人,这是一个很大的优点。本研究首次系统地将绳驱动并联机构应用于踝关节康复领域,拓展了绳驱动技术的应用范围。主要研究内容如下： 首先,结合解剖学、临床医学及康复医学等相关知识,分析了脚踝的运动功能、损伤和康复训练。提出了新型绳驱动踝关节康复机构设计的基本原则,从原理上完成了机构设计,在机构原理设计的基础上,完成了机构的整体结构设计,并分别介绍了各部分的具体结构设计,对所设计的绳驱动踝关节康复机构进行了自由度分析,初步验证了其运动性能。 然后,对绳驱动踝关节康复机构的运动学进行了分析,主要包括：采用封闭矢量法建立了机构位置反解模型；推导了机构运动学速度和加速度反解：利用Rodridgues参数法和Newton-Raphson迭代法分别建立了机构位置正解的解析解和数值解模型；根据实例计算验证了运动学正反解模型的正确性,并绘制了机构动平台绕定轴转动时四根驱动绳索长度、速度、加速度的变化曲线,为后续的分析奠定了理论基础。 接着对绳驱动踝关节康复机构进行了静力学分析,分别求解了机构的力可控和力可调工作空间,通过MATLAB绘制了两种工作空间的范围图。对机构驱动绳索张力的分配原则及张力分配算法进行了分析及优化。针对所设计的绳驱动踝关节康复机构冗余度为1的特点,重新定义了驱动绳索张力的最低解、最高解和最优解,并通过仿真研究证明了张力分配算法的正确性。 利用牛顿欧拉法建立了机构动平台、驱动器及整个系统的动力学模型。对机构的灵巧性和奇异性进行了分析评价,从刚度的基本定义出发,推导了机构的刚度矩阵,进行了相应的刚度数值计算,给出了机构刚度矩阵的评价指标。 最后,对绳驱动踝关节康复机构进行了虚拟样机建模,利用Adams软件进行了相应的机构运动学仿真研究,完成了机构的康复运动轨迹规划与仿真,仿真结果进一步验证了绳驱动踝关节康复机构的运动能力,达到了本设计的要求。
【关键词】：踝关节康复 绳驱动并联机构 运动学 绳索张力分配 性能分析 运动仿真
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH112
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-24
• 1.1 研究背景与意义12-13
• 1.2 踝关节康复医疗器械的发展现状13-14
• 1.3 踝关节康复机器人14-18
• 1.3.1 国内外踝关节康复机器人的研究现状14-18
• 1.3.2 现有踝关节康复机器人的不足18
• 1.4 绳驱动并联机构的研究现状18-22
• 1.4.1 绳驱动并联机构的理论研究18-19
• 1.4.2 绳驱动并联机构的应用19-22
• 1.5 课题的研究内容22-24
• 2 绳驱动踝关节康复机构的设计研究24-42
• 2.1 踝关节相关医学机理和康复训练24-30
• 2.1.1 踝关节解剖学结构及运动功能分析24-27
• 2.1.2 踝关节损伤与康复治疗27-30
• 2.2 绳驱动踝关节康复机构设计的基本原则30
• 2.3 绳驱动踝关节康复机构的原理设计30-33
• 2.4 绳驱动踝关节康复机构结构设计33-40
• 2.4.1 具有位置反馈的等效球副结构设计33-34
• 2.4.2 绳索传动机构与动平台结构设计34-35
• 2.4.3 绳张力检测机构结构设计35-36
• 2.4.4 驱动机构设计36-38
• 2.4.5 绳驱动踝关节康复机构总体结构设计38-40
• 2.5 绳驱动踝关节康复机构自由度分析40-41
• 2.6 本章小结41-42
• 3 绳驱动踝关节康复机构的运动学分析42-58
• 3.1 机构位姿的欧拉角描述42-43
• 3.2 机构结构参数及坐标系的建立43-45
• 3.3 机构位置反解45-46
• 3.4 机构位置正解46-50
• 3.4.1 解析法46-49
• 3.4.2 Newton-Raphson迭代法49-50
• 3.5 机构位置正反解模型正确性的验证50-52
• 3.6 绳驱动踝关节康复机构的速度分析52-54
• 3.7 绳驱动踝关节康复机构的加速度分析54-55
• 3.8 数值计算及运动学仿真55-56
• 3.9 本章小结56-58
• 4 绳驱动踝关节康复机构工作空间及张力分配58-74
• 4.1 绳驱动并联机构力可控工作空间58-59
• 4.2 绳驱动踝关节康复机构静力学分析59-61
• 4.3 绳驱动踝关节康复机构工作空间61-69
• 4.3.1 绳驱动踝关节康复机构力可控工作空间61-63
• 4.3.2 绳驱动踝关节康复机构绳索张力分配63-65
• 4.3.3 绳驱动踝关节康复机构力可调工作空间65-69
• 4.4 驱动绳索拉力分布的优化研究69-71
• 4.4.1 绳索拉力的最低解、最高解及最优解69
• 4.4.2 绳驱动踝关节康复机构绳拉力的最优解69-70
• 4.4.3 仿真分析70-71
• 4.5 本章小结71-74
• 5 绳驱动踝关节康复机构动力学及工作性能分析74-88
• 5.1 绳驱动踝关节康复机构动力学模型74-77
• 5.1.1 动平台的动力学模型74-75
• 5.1.2 驱动器的动力学模型75-76
• 5.1.3 踝关节康复机构系统动力学模型76-77
• 5.2 绳驱动踝关节康复机构的灵巧性77-79
• 5.3 绳驱动踝关节康复机构的奇异性79-82
• 5.3.1 奇异的分类及一般求解方法79-80
• 5.3.2 绳驱动踝关节康复机构的奇异性分析80-82
• 5.4 静刚度分析82-87
• 5.4.1 刚度矩阵83-84
• 5.4.2 刚度分布的评价指标84-85
• 5.4.3 刚度数值计算与分布评价85-87
• 5.5 本章小结87-88
• 6 绳驱动踝关节康复机构的仿真与轨迹规划88-100
• 6.1 绳驱动踝关节康复机构虚拟样机建模88-89
• 6.2 绳驱动踝关节康复机构逆运动学仿真89-93
• 6.3 康复运动轨迹规划与仿真93-99
• 6.3.1 轨迹规划93-97
• 6.3.2 仿真研究97-99
• 6.4 本章小结99-100
• 7 总结与展望100-104
• 7.1 工作总结100-101
• 7.2 研究展望101-104
• 参考文献104-110
• 附录A110-112
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果112-116
• 学位论文数据集116

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 陈海春;踝关节运动损伤发生的动力解剖学基础[J];福建师范大学学报(自然科学版);1998年03期

2 边辉;刘艳辉;梁志成;赵铁石;;并联2-RRR/UPRR踝关节康复机器人机构及其运动学[J];机器人;2010年01期

3 张波,王洪光,赵明扬;约束机构在柔索并联机器人设计中的应用[J];机械科学与技术;2004年12期

4 陈泉柱;陈伟海;刘荣;张建斌;;具有关节角反馈的绳驱动拟人臂机器人机构设计与张力分析[J];机械工程学报;2010年13期

5 黄海灵;吴洪涛;陈柏;;基于柔索驱动的踝关节康复机器人的研究[J];中国制造业信息化;2012年03期

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本文编号：1132449