基于Kinematic-Mapping的运动综合理论及其在辅助康复机构中的应用

发布时间：2017-07-18 17:38

本文关键词：基于Kinematic-Mapping的运动综合理论及其在辅助康复机构中的应用

【摘要】：机构的运动综合是从运动学的角度进行机构设计,使其实现给定的运动方式。如何同时实现机构的构型综合与尺度综合是机构综合的一个难题。传统的机构运动综合理论往往能得到数学意义上的最优解,但无法根据服役环境、材料性能、精度要求等实际需求来进行调整和扩充,导致机构无有效解,并且计算量随位置数目递增。在机构应用中,辅助康复机构是近年兴起的一种用于协助行动不便人士实现正常运动的设施。现有的康复机构大多为多关节多自由度机构,通过协调控制的方式实现人体部位相应运动轨迹。人体各部位的运动轨迹有各自固定的模式和特点,理论上用结构简单、易控制、体积小、经济性好的少自由度机构就能实现,用少自由度机构实现人体部位运动轨迹的辅助康复装置成为近年来的研究热点。本文以国家自然科学基金项目(51405128)基于运动学映射的平面／球面机构构型与尺度一体化运动综合方法研究为依托,主要致力于基于Kinematic-Mapping理论的平面机构的运动综合方法的研究,拓展了平面运动的几何约束类型并建立了数学模型,完成了基于Kinematic-Mapping的平面N个位姿近似运动综合方法和面向平面六杆机构的五位姿精确运动综合方法的理论推导。基于该理论方法,运用MATLAB语言开发设计了《机构运动学综合交互软件》,用以解决基于Kinematic-Mapping理论的机构设计的设计计算、运动仿真等问题。提出了基于Kinematic-Mapping理论的康复机构的通用设计方法,结合STS辅助康复机构的设计结果,对理论进行了验证,完成了软件的测试。通过分析不同平面机构可能存在的几何约束形式,提炼出各类型运动的约束条件的几何表达形式,将不同构型机构的运动分析与综合的过程转化成几何层面的数学运算,并推导出各约束条件的通用数学表达式。在分析平面N位姿近似运动综合问题基础上,提出了一种新的针对平面N个目标位姿可扩展机构解空间的平面运动综合方法,用以解决传统机构求解时出现的“数学意义上的精确解不存在”、“目标位姿多造成运算量大或无解”,“数学意义上的有限最优解不能满足实际工程需求而无解”的问题。通过引入更多特征向量,扩大拟合误差容许范围的方法来进一步拓展解空间,获得更多近似解。在此基础上,根据实际需要选取最优二杆组构建成四杆机构,实现给定位姿,同时完成机构类型与尺度综合。面对“给定5个目标位姿精确运动综合,不存在平面四杆机构解”的问题,基于Kinematic-Mapping理论,提出了一种新的拓扑构型设计／演化方案,用于构造能够精确通过五个任意平面位姿的瓦特型或斯蒂芬森型六杆机构。针对瓦特型和斯蒂芬森型六杆机构的不同特征,推导了斯蒂芬森型六杆运动链和瓦特型六杆运动链的拓扑演化过程。建立了两种拓扑型六杆机构尺寸参数的确定方法。设计了瓦特型和斯蒂芬森型六杆机构尺寸参数的通用设计流程,能够快速有效地确定六杆机构的构型与尺寸。基于以上理论开发了《平面运动综合交互软件》,该软件能解决平面N位姿运动综合、具有可拓展解空间的平面N位姿运动综合、以及面向平面六杆机构的5位姿精确运动综合的问题的设计计算和运动仿真。软件具有较好的通用性和稳定性,只需输入给定的欲实现的位姿数据,软件内部进行综合,求解得到最适合给定位置的机构,并在界面中给出机构的运动仿真,用户可以直观比较机构的运动位姿轨迹与给定位姿的误差。基于前述理论,运用平面运动综合交互软件,提出了一种针对人体STS (Sit-to-Stand,坐姿到站立)运动过程中不同部位位姿轨迹的辅助康复机构设计方法,该方法以实现目标运动轨迹为导向,综合考虑构型综合、尺度综合以及多种实际约束条件,设计得到各类型单自由度机构。通过两个STS辅助康复设计的应用案例,验证了理论基础的正确性,测试了软件的性能。
【关键词】：机构运动综合 运动学映射方法 辅助康复机构 UI开发
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH789
【目录】：

致谢9-10
摘要10-12
ABSTRACT12-22
第一章绪论22-37
1.1 背景及研究意义22
1.2 国内外研究现状及发展动态分析22-33
1.2.1 机构运动综合的研究现状与发展22-23
1.2.2 机构拓扑型综合方法研究现状与发展23-24
1.2.3 机构尺度综合方法研究现状与发展24-25
1.2.4 Kinematic-Mapping方法的研究现状与发展25-26
1.2.5 站立辅助康复装置的研究现状与发展26-33
1.3 存在的问题与不足33-35
1.3.1 机构的运动综合理论存在的问题与不足33-34
1.3.2 站立辅助康复装置的问题与不足34-35
1.4 论文研究的内容与方法35-37
第二章平面运动的几何约束及其对应机构37-51
2.1 常见几何约束类型37-38
2.2 点与各约束图形的关系38-45
2.2.1 动刚体上一点被定圆所约束38-39
2.2.2 动刚体上一点被定圆弧所约束39-40
2.2.3 动刚体上一点被定圆环域所约束40-41
2.2.4 动刚体上一点被定直线所约束41-42
2.2.5 动刚体上一点被平行域所约束42-43
2.2.6 动刚体上一点被定椭圆所约束43-45
2.3 直线与各约束图形的关系45-50
2.3.1 动刚体上一直线被定圆所约束45-46
2.3.2 动刚体上一直线被定圆弧所约束46
2.3.3 动刚体上一直线被定圆环域所约束46-47
2.3.4 动刚体上一直线被定直线所约束47-48
2.3.5 动刚体上一直线被平行域所约束48-49
2.3.6 动刚体上一直线被定椭圆所约束49-50
2.4 本章小结50-51
第三章基于Kinematic-Mapping的平面N个位姿近似运动综合方法51-70
3.1 四元数理论52-53
3.2 平面运动的四元数参数化表达53-55
3.3 几种常见平面约束流形55-64
3.3.1 RR型二杆组约束流形56-58
3.3.2 PR型二杆组约束流形的公式58-59
3.3.3 RP型二杆组约束流形的公式59-61
3.3.4 平面杆组的组合形式61-64
3.4 平面N位姿运动综合问题的转化64
3.5 平面N位姿在映射空间中的曲面拟合64-67
3.6 平面N位姿运动综合解空间的拓展67-69
3.7 本章小结69-70
第四章面向平面六杆机构的五位姿精确运动综合方法70-82
4.1 平面六杆机构70-71
4.2 六杆机构的拓扑型设计/演化71-75
4.3 不同拓扑型六杆机构尺寸参数的通用确定方法75-81
4.3.1 通过5个平面位姿的三杆组开链尺寸设计75-77
4.3.2 通过5个平面位姿的二杆组开链尺寸设计77-80
4.3.3 六杆机构的尺寸参数通用设计方法80-81
4.4 本章小结81-82
第五章平面运动综合人机交互软件开发82-109
5.1 程序开发与界面设计基础82
5.2 主要功能模块82-93
5.2.1 平面N位姿运动综合基本算法(KMBA算法)模块83-85
5.2.2 具有可拓展解空间的平面N位姿运动综合模块85-89
5.2.3 面向平面六杆机构的5位姿精确运动综合模块89-93
5.3 GUI用户交互界面的设计与开发93-97
5.3.1 用户界面的基本思想与规划93-96
5.3.2 交互软件中运动仿真模块设计开发96-97
5.3.3 GUI用户交互的设计97
5.4 程序的详细计算过程与表达式97-100
5.4.1 二元二次方程组的MATLAB实现97-98
5.4.2 基于SVD分解的数据拟合实现98-100
5.5 五位姿与N位姿运动综合基本功能演示100-107
5.6 本章小结107-109
第六章站立辅助康复设施机构设计109-134
6.1 基于Kinematic-Mapping理论的站立辅助康复机构通用设计方法109-111
6.2 站立过程人体运动姿态的实验获取方法111-113
6.3 肩部支撑站立辅助机构设计实例113-123
6.3.1 站立过程的肩部运动姿态113-115
6.3.2 肩部支撑站立辅助机构的构型115-120
6.3.3 肩部支撑站立康复机构模型的建立120-123
6.4 腰部支撑站立辅助康复轮椅设计实例123-133
6.4.1 站立过程腰部运动曲线124
6.4.2 站立过程腰部运动姿态124-126
6.4.3 腰部支撑站立辅助机构构型126-129
6.4.4 站立辅助康复轮椅模型的建立129-133
6.5 本章小结133-134
第七章总结与展望134-137
7.1 全文总结134-135
7.2 主要创新点135-136
7.3 进一步工作展望136-137
参考文献137-144
附部分计算程序144-150
攻读博士学位期间的学术活动及成果情况150

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