并联球窝关节康复机构的运动性能分析及优化设计

发布时间：2020-04-12 16:47

【摘要】：并联机构运动学和动力学性能良好,现已广泛应用于医疗康复领域。本文基于球窝关节康复机构的性能要求,对符合要求的并联机构进行构型综合、结构优化。并选取2-SPS+RRR并联机构进行运动学分析、运动仿真、尺寸参数优化等研究。首先,通过查阅生物学方面的文献,对球窝关节的生理结构和运动形式进行研究,并结合传统康复治疗,得出适合应用于人体球窝关节康复的并联机构的性能和要求。其次,通过分析现有的构型综合理论,基于G_F集理论的型综合方法进行构型综合。首先,运用G_F集合成定律以及求交运算法则,构型综合出具有三转动特征的并联单元。然后通过轴线迁移定理、运动副替换等方式,将原始支链进行构型变换。最后从综合出的构型中选取适用于踝关节康复的并联机构,根据踝关节康复对康复机构的要求,进行结构上优化。然后,从优化出的构型中选取2-SPS+RRR并联机构进行运动学相关分析。先运用螺旋理论和修正的G-K公式对其进行自由度的计算。然后通过D-H参数法和几何关系法建立动平台与支链之间的关系,进行该机构的位置反解计算。再次,基于Matlab和SolidWorks软件,通过位置反解并运用边界极限搜索法分别求出该机构的可达工作空间。将两种方法得到的工作空间进行对比,工作空间的大小和形状基本一致,验证了所求工作空间的正确性。最后,通过ADAMS建立2-SPS+RRR并联康复机构的虚拟样机,进行运动学仿真,然后对康复平台进行位移,速度和加速度的分析。最后,基于遗传算法,对选定的2-SPS+RRR并联康复机构进行尺寸参数优化。先研究机构的各项参数对工作空间X、Y、Z三个方向和整体工作空间的影响,然后通过遗传算法,将工作空间的大小设定为目标函数,通过设定个体数目,遗传代数等参数,求解出并联机构尺寸参数的全局最优解。最后,将并联康复机构优化后的工作空间与优化之前的工作空间进行对比分析,优化后的空间在X、Y、Z三个方向的范围都优于之前。通过本文的研究,应用G_F集理论构型综合出具有三转动特征的并联机构,对今后并联球窝关节康复机构的选取具有一定的参考价值。同时本文将选取出的2-SPS+RRR并联机构进行踝关节康复的应用,通过对其进行运动学分析和仿真,证明其具有良好的运动学性能,并通过遗传算法对其进行尺寸参数的优化设计,为该机构今后的设计与实际应用提供了理论基础。
【图文】：

中北大学学位论文康复机器人，主要应用于踝关节的康复训练，可以实现 3 个方向的转动，如图 1.4。J.A.Saglia 等研发了一款 3-UPS/U 并联康复机构，应用于踝关节的康复治疗，它两个方向的转动来进行恢复训练。

中北大学学位论文康复机器人，主要应用于踝关节的康复训练，可以实现 3 个方向的转动，如图 1.4。J.A.Saglia 等研发了一款 3-UPS/U 并联康复机构，，应用于踝关节的康复治疗，它两个方向的转动来进行恢复训练。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH77

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本文编号：2624952