基于3-RRS球面并联机构脚踝康复机器人的设计与研究

发布时间：2017-03-22 20:07

  本文关键词：基于3-RRS球面并联机构脚踝康复机器人的设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：球面并联机构(SPM)作为并联机构的一种特殊类型,具有工作空间大、各个部件之间不容易发生干涉的特点。SPM现广泛应用于机器人的肩、腕、腰、髋关节以及超精密加工、航天、测绘等领域。3-RRS SPM相对于3-RRR SPM来说,解除了3-RRR SPM的过约束,有更好的运动性能,而且能够实现三自由度的转动。本文主要研究3-RRS球面并联机构的运动学及其在脚踝康复机器人中的应用。本文利用螺旋理论对3-RRS SPM的自由度进行了分析计算;利用牛顿迭代法求解了机构的运动学正解;应用闭环矢量法建立了3-RRS SPM的运动学逆解模型,求解了该机构相应的运动学逆解算式,得到了3-RRS SPM的8组逆解;对3-RRS SPM进行了实例分析,验证了3-RRS SPM运动学分析的正确性。在3-RRS SPM运动学位置分析的基础上,利用求导法求解了3-RRS SPM速度、Jacobian矩阵和加速度;利用Jacobian矩阵讨论了机构的奇异性;利用数值搜索法求解了机构的可达工作空间,并利用MATLAB编程绘制了机构的在不同结构参数情况下的可达工作空间图。本文采用拆杆法,建立了3-RRS SPM各个构件的静力学平衡方程,对3-RRS SPM进行了静力学分析。本文针对人体踝关节的结构组成,踝关节的运行规律以及踝关节康复的机理。在综合3-RRS SPM的性能以及脚踝康复治疗对机构所需要求的情况下,对3-RRS球面脚踝康复机器人的具体结构和尺寸参数进行设计。然后,利用SolidWorks与ANSYS workbench相结合的方法来对3-RRS球面脚踝康复机器人进行了静力学有限元分析,通过对机器人的静力学有限元分析,找到了3-RRS球面脚踝康复机器人整体结构设计中的薄弱地方。最后,利用SolidWorks与ADAMS软件来对3-RRS球面脚踝康复机构进行了仿真研究。通过运动学正解和逆解仿真得到的3-RRS球面脚踝康复机器人脚架上的参考点q的运行轨迹、位移变化规律、速度变化规律以及加速度变化规律都一致,而且都随着时间按照正/余弦曲线的规律均匀变化,没有出现速度和加速度突变。所以在实际使用的过程中,不会造成脚踝的二次损伤;而且机器人能够在空间中沿着复杂的球面“阿基米德螺旋轨迹”运动,带动脚踝同时实现了背屈/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋的运动,证明了该脚踝康复机器人可以用于脚踝辅助康复训练。
【关键词】：3-RRS球面并联机构 运动学 运动学性能 静力学 脚踝康复机器人 仿真
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 课题的研究背景与意义11-12
• 1.1.1 课题的研究背景11-12
• 1.1.2 本课题研究的价值和意义12
• 1.2 SPM研究现状与分析12-15
• 1.3 脚踝康复机器人研究现状与分析15-16
• 1.4 并联机构研究现状与分析16-20
• 1.4.1 并联机构运动学16-17
• 1.4.2 并联机构工作空间17-18
• 1.4.3 并联机构奇异性18-19
• 1.4.4 并联机构静力学19-20
• 1.5 主要研究内容20-21
• 1.6 本章小结21-22
• 2 3-RRS SPM运动学分析22-32
• 2.1 3-RRS SPM的结构组成与坐标系的建立22-23
• 2.2 3-RRS SPM的自由度分析23-25
• 2.3 3-RRS SPM的位置分析25-30
• 2.3.1 3-RRS SPM的运动学正解25-28
• 2.3.2 3-RRS SPM的运动学逆解28-30
• 2.4 3-RRS SPM实例分析30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 3 3-RRS SPM运动学性能分析32-41
• 3.1 速度与Jacobian矩阵分析32-33
• 3.2 加速度分析33-34
• 3.3 奇异性分析34-36
• 3.4 工作空间分析36-40
• 3.4.1 影响工作空间的因素36-37
• 3.4.2 工作空间的确定37-40
• 3.5 本章小结40-41
• 4 3-RRS SPM静力分析41-49
• 4.1 3-RRS SPM动平台受力分析42-43
• 4.2 3-RRS SPM曲柄的受力分析43-45
• 4.3 3-RRS SPM连杆的受力分析45-47
• 4.4 动平台、连杆以及曲柄受力化简47-48
• 4.5 本章小结48-49
• 5 脚踝康复机器人的机构设计49-55
• 5.1 人体脚踝的结构分析49-52
• 5.1.1 踝关节结构49-50
• 5.1.2 踝关节的运动范围50-52
• 5.2 脚踝康复机器人设计52-54
• 5.2.1 脚踝康复机器人的设计原则52
• 5.2.2 脚踝康复机器人结构与尺寸参数设计52-54
• 5.3 本章小结54-55
• 6 3-RRS球面脚踝康复机器人有限元分析55-61
• 6.1 模型的导入和网格划分55
• 6.2 约束和接触的添加55-56
• 6.3 载荷的添加56-57
• 6.4 仿真结果分析57-60
• 6.4.1 等效应力分析57-58
• 6.4.2 变形分析58
• 6.4.3 安全系数分析58-60
• 6.5 本章小结60-61
• 7 运动仿真61-72
• 7.1 导入模型、添加约束61-63
• 7.2 运动学逆解仿真63-71
• 7.2.1 基于运动学逆解的轨迹规划63-64
• 7.2.2 运动学逆解仿真64-68
• 7.2.3 运动学正解仿真验证68-71
• 7.3 本章小结71-72
• 8 总结与展望72-74
• 8.1 总结72-73
• 8.2 展望73-74
• 参考文献74-81
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果81-82
• 致谢82-83

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