仿生踝关节辅助康复装置的运动建模分析

发布时间：2020-01-26 22:42

【摘要】：为实现踝关节辅助康复,开发了一种基于球销副的仿生踝关节辅助康复装置,该装置具有两个自由度,但能近似实现踝关节的三维运动。在介绍仿生踝关节辅助康复装置结构的基础上,对其进行了运动建模分析。针对结构采用的多种运动驱动模式,对刚柔组合驱动与刚性驱动模式分别进行建模分析,给出了相关计算公式,并采用Matlab软件进行了计算。研究过程为多运动模式的机构分析提供了参考。
【图文】：

滑块6的运动压缩弹簧7，在弹簧力的作用下，以下平台1为支撑，带动上平台8沿背屈/跖屈方向运动偏斜一定的角度。当需要康复的脚关节扣定在上平台8上，就可以实现脚部的背屈/跖屈运动;当背屈/跖屈的运动幅度较小时，仅需装置中的电机Ⅰ驱动。而当运动幅度较大时，还需启动内翻/外翻驱动电机Ⅱ，进行驱动。类似的，当需要进行踝关节的内翻/外翻辅助康复运动时，，通过控制系统给相应的电机通电，即可实现脚部的内翻/外翻辅助康复运动。当需要进行两者的复合康复运动时，通过控制系统同时给两个电机通电，实现其复合运动。图1踝关节辅助康复装置模型图2装置的运动模型记驱动背屈/跖屈运动的电机为电机Ⅰ，驱动内翻/外翻运动的电机为电机Ⅱ，则在运动过程中，存在5种情况:①电机Ⅰ转动，电机Ⅱ不转动;②电机Ⅰ不转动，电机Ⅱ转动;③电机Ⅰ先转动，电机Ⅱ后转动;④电机Ⅱ先转动，电机Ⅰ后转动;⑤电机Ⅰ和电机Ⅱ同时转动。每一种情况又可以分为3种模式:①过渡模式(即电机驱动压缩弹簧，但尚不能带动上平台运动);②刚柔组合驱动模式(电机驱动压缩弹簧，并由弹簧带动上平台运动);③刚性驱动模式(电机驱动中弹簧被压并，并由弹簧带动上平台运动)。在此以图2的背屈/跖屈运动中，电机Ⅰ转动，电机Ⅱ不转动为例进行运动分析。2．1刚性驱动模式如图2，B1、B2和B3为上平台的初始位置，B1'、B2'和B3'为上平台运动后的某个位置。在初始状态下，记:A1B1=l1，A2B2=l2，OB3=l3，A1A3=B1B3=a，A2A3=B2B3=b。以中心球销的回转中心点O为原点建立固定坐标系X0Y0Z0，该坐标系固定在下平台上。其中X0轴平行于A2A3

屯?2装置的运动模型记驱动背屈/跖屈运动的电机为电机Ⅰ，驱动内翻/外翻运动的电机为电机Ⅱ，则在运动过程中，存在5种情况:①电机Ⅰ转动，电机Ⅱ不转动;②电机Ⅰ不转动，电机Ⅱ转动;③电机Ⅰ先转动，电机Ⅱ后转动;④电机Ⅱ先转动，电机Ⅰ后转动;⑤电机Ⅰ和电机Ⅱ同时转动。每一种情况又可以分为3种模式:①过渡模式(即电机驱动压缩弹簧，但尚不能带动上平台运动);②刚柔组合驱动模式(电机驱动压缩弹簧，并由弹簧带动上平台运动);③刚性驱动模式(电机驱动中弹簧被压并，并由弹簧带动上平台运动)。在此以图2的背屈/跖屈运动中，电机Ⅰ转动，电机Ⅱ不转动为例进行运动分析。2．1刚性驱动模式如图2，B1、B2和B3为上平台的初始位置，B1'、B2'和B3'为上平台运动后的某个位置。在初始状态下，记:A1B1=l1，A2B2=l2，OB3=l3，A1A3=B1B3=a，A2A3=B2B3=b。以中心球销的回转中心点O为原点建立固定坐标系X0Y0Z0，该坐标系固定在下平台上。其中X0轴平行于A2A3，Y0轴平行于A1A3，Z0轴与OA3重合。在X0Y0Z0中，下平台各点的坐标为:0A1(0，a，－l4)，0A2(b，0，－l4)，0A3(0，0，－l4)。同时，以O点为原点建立动坐标系X1Y1Z1，该坐标系与上平台相固定。其中X1轴平行于B2B3，Y1轴平行于B1B3，Z1轴与OA3重合。在X1Y1Z1中，上平台各点的坐标为:1B1(0，a，l3)，1B2(b，0，l3)和1B3(0，0，l3);由于上平台采用对称

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本文编号：2573436