踝关节康复机构的设计与分析
发布时间：2021-01-08 13:33
随着社会医疗水平和人们生活水平的不断提高,医疗机器人正在逐步取代康复医师进行康复训练。目前的踝关节康复机器人虽可实现踝关节的基本运动,但机构的虚拟转动中心大多数是固定且不可调的,因此需对踝关节康复机构进行进一步研究。本文结合人体踝关节的肌骨特征,设计了转动中心可调的3-CRS-S踝关节康复并联机构,研究了机构的运动学并进行了仿真分析,验证了机构的康复性能。首先,根据踝关节的运动特性及肌骨特点,设计了一种适合踝关节康复训练的并联机构。利用螺旋理论及G-K公式分别对3-CRS-S并联机构的自由度进行了研究。其次,由于3-CRS-S踝关节康复并联机构中包含闭环链,因此利用闭环链矢量法得到了3-CRS-S并联机构的位置反解方程,应用螺旋建模理论,求得了3-CRS-S并联机构的速度雅可比矩阵,借助SolidWorks和MATLAB软件,通过极限搜索法分析了机构的工作空间,利用拆杆法研究了3-CRS-S并联机构的静力学,并利用SolidWorks软件完成有限元仿真,为机构的优化给予数据支持。然后,借助Adams与SolidWorks软件联合创建了3-CRS-S并联机构,通过Adams软件的运动学仿...
【文章来源】： 王勇军 中北大学
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
踝关节康复装置
中北大学学位论文3图1-1踝关节康复装置图1-2踝关节训练装置Fig.1-1AnklerehabilitationdeviceFig.1-2AnklerehabilitationtrainingdeviceJamwal等提出了一种利用气动肌肉执行机构（PMA）作为驱动实现踝关节三维转动的并联踝关节康复机构。文中制定了一套针对性的自调节主动控制方案，该方案的主要对象是神经功能紊乱患者，主要依据是患者的伤残等级和康复效果。该踝关节康复机构是一种并联机构，通过病患者的主动积极参与提供系统性的辅助治疗，使提出的自适应控制方法适应并联机构的阻抗。同时以中风患者为代表，对控制器的性能参数进行了测试[10]。Erdogan等设计了一种外骨骼机构AssistOn-Ankle，主要针对踝关节受损患者，该并联机构是将3-RPU和3-UPU并联机构通过串联方式连接在一起，机构的可重构思想不仅满足此要求，而且可根据实际需求对机构部件进行重组。踝关节康复机构通过使用Bowden的串联弹性驱动可实现驱动器的远程放置，从而满足兼具紧凑及低惯量的结构设计要求，同时该并联机构还有其特有的控制方法[11]。Simnofske等设计了一种适用于踝关节的主动康复机构，该机构有三个旋转运动状态，工作方式与球副相同，如图1-3所示。该机构的设计思路较新颖，分析了机构的正逆运动学问题及工作空间，进一步研究了踝关节的拓扑结构，通过运动仿真分析比较了相类似的并联机构，此外还对ASPM机构进行了测试，实现了对踝关节机构的控制[12][13]。Latifah等分析了3-RPS并联机器人基于约束、优化的可重构方法，如图1-4所示。机构有两种运动模式，可完成踝关节的运动。提出的一种新性能指标-MICD（最大内接圆半径），用于评估末端执行器在不同转动状态下的MICD范围图，通过研究机构在两种不同模式下的MICD范围图，提出了一种可重构方案，主要针对?
中北大学学位论文4图1-3主动康复机构图1-4踝关节康复装置Fig.1-3ActiverehabilitationmechanismFig.1-4AnklerehabilitationdeviceJamwal等通过阐述踝关节康复机构的研究现况，提出了一种踝关节康复装置，分析了各个部件的选择，提出了人机交互的复杂性，通过模糊逻辑控制装置来控制机器人帮助踝关节做康复训练，同时增加了人机交互界面的设计，改善了传统枯燥乏味的康复训练模式；最后还借助软件将患者、康复机器人和康复医师形成一个紧密联系的整体，使患者在康复训练时能得到及时有效的康复数据，极大地提高了康复效果[15]。1.2.2国内研究现状国内的专家学者在早期对踝关节康复机构就已经展开了研究。燕山大学的赵铁石教授等通过分析人体踝关节组织结构及康复原理，得到一种3-RSS/S并联康复机构，结构包含4条支链、一个固定底座和一个上平台，中间支链为主要约束链，将上平台和底座相连；剩余的3条支链沿圆周逆方向对称布置，将脚放于上平台，当机构按照预设的轨迹进行运动时，踝关节随着机构的运动进行康复训练[16]。哈尔滨工程大学的俞志伟等基于肌肉组织的并联运动原理，提出一种双足协调式康复机构，如图1-5所示，机构主要包含6个构件，机构通过2个导杆和2个连杆将腿部和足部相连，将导杆作为动力源，连杆在驱动带动下完成踝关节前后、左右翻转运动。机器人在低功率驱动器控制下，不仅可满足踝关节康复训练的运动要求，也有效减少康复机器人的体积、整体重量等[17]。燕山大学的边辉等综合分析了踝关节机构存在的各种问题，提出了2-RRR/UPRR踝关节康复并联机构，与现有的踝关节康复机构相比，最大的区别在于它的虚拟转动中心并不在机构的内部，而在机构外部的某一点处，保证踝关节的转动中心与机构的虚拟转动中心相一致，同时也避免机构?
【参考文献】：
期刊论文
[1]并联踝康复机器人的系统搭建与运动控制策略[J]. 李剑锋,张子康,张雷雨,董明杰,左世平,张凯. 中南大学学报(自然科学版). 2019(11)
[2]基于单开链单元的三转动并联机构型综合及其分类[J]. 李少帅,罗玉峰,石志新,谢冬福,刘振坤. 机床与液压. 2019(17)
[3]中国人口老龄化发展态势、影响及应对策略[J]. 贺丹,刘厚莲. 中共中央党校(国家行政学院)学报. 2019(04)
[4]新型RR-RURU踝关节康复机器人机构的设计与分析[J]. 张彦斌,荆献领,韩建海,陈子豪. 中国机械工程. 2019(14)
[5]3-UPS/S踝关节康复机构及运动分析[J]. 张建中,张广浩,胡化增,李峰. 机械传动. 2019(05)
[6]并联踝康复机器人的设计与运动性能评价[J]. 李剑锋,张凯,张雷雨,张子康,左世平. 机械工程学报. 2019(09)
[7]3-SPS/S踝关节并联康复机构控制系统仿真[J]. 王海芳,李新庆,乔湘洋,祁超飞. 东北大学学报(自然科学版). 2019(03)
[8]基于踝关节运动特性的三转动并联机构构型优选及仿真分析[J]. 李少帅,罗玉峰,石志新,谢冬福,刘振坤. 机械传动. 2019(03)
[9]2PRS/2PUS四自由度并联机构工作空间分析[J]. 蒲志新,金磊. 机械传动. 2018(07)
[10]基于组合函数的脚踝康复机器人轨迹规划[J]. 廖志炜,张俊,卢宗兴,姚立纲. 机电工程. 2018(03)
博士论文
[1]上肢康复机器人及相关控制问题研究[D]. 吴军.华中科技大学 2012
[2]并联机构若干基本问题的研究[D]. 程世利.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]北京市肢体残疾人现状及假肢的需求分析[D]. 赵芳杰.吉林大学 2016
[2]基于AnyBody的汽车驾驶员坐姿生物力学特性分析及舒适性设计[D]. 李文昊.山东大学 2015
[3]肩关节康复训练机器人的设计与研究[D]. 蔡峰.大连交通大学 2012
本文编号：2964684
【文章来源】： 王勇军 中北大学
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
踝关节康复装置
中北大学学位论文3图1-1踝关节康复装置图1-2踝关节训练装置Fig.1-1AnklerehabilitationdeviceFig.1-2AnklerehabilitationtrainingdeviceJamwal等提出了一种利用气动肌肉执行机构（PMA）作为驱动实现踝关节三维转动的并联踝关节康复机构。文中制定了一套针对性的自调节主动控制方案，该方案的主要对象是神经功能紊乱患者，主要依据是患者的伤残等级和康复效果。该踝关节康复机构是一种并联机构，通过病患者的主动积极参与提供系统性的辅助治疗，使提出的自适应控制方法适应并联机构的阻抗。同时以中风患者为代表，对控制器的性能参数进行了测试[10]。Erdogan等设计了一种外骨骼机构AssistOn-Ankle，主要针对踝关节受损患者，该并联机构是将3-RPU和3-UPU并联机构通过串联方式连接在一起，机构的可重构思想不仅满足此要求，而且可根据实际需求对机构部件进行重组。踝关节康复机构通过使用Bowden的串联弹性驱动可实现驱动器的远程放置，从而满足兼具紧凑及低惯量的结构设计要求，同时该并联机构还有其特有的控制方法[11]。Simnofske等设计了一种适用于踝关节的主动康复机构，该机构有三个旋转运动状态，工作方式与球副相同，如图1-3所示。该机构的设计思路较新颖，分析了机构的正逆运动学问题及工作空间，进一步研究了踝关节的拓扑结构，通过运动仿真分析比较了相类似的并联机构，此外还对ASPM机构进行了测试，实现了对踝关节机构的控制[12][13]。Latifah等分析了3-RPS并联机器人基于约束、优化的可重构方法，如图1-4所示。机构有两种运动模式，可完成踝关节的运动。提出的一种新性能指标-MICD（最大内接圆半径），用于评估末端执行器在不同转动状态下的MICD范围图，通过研究机构在两种不同模式下的MICD范围图，提出了一种可重构方案，主要针对?
中北大学学位论文4图1-3主动康复机构图1-4踝关节康复装置Fig.1-3ActiverehabilitationmechanismFig.1-4AnklerehabilitationdeviceJamwal等通过阐述踝关节康复机构的研究现况，提出了一种踝关节康复装置，分析了各个部件的选择，提出了人机交互的复杂性，通过模糊逻辑控制装置来控制机器人帮助踝关节做康复训练，同时增加了人机交互界面的设计，改善了传统枯燥乏味的康复训练模式；最后还借助软件将患者、康复机器人和康复医师形成一个紧密联系的整体，使患者在康复训练时能得到及时有效的康复数据，极大地提高了康复效果[15]。1.2.2国内研究现状国内的专家学者在早期对踝关节康复机构就已经展开了研究。燕山大学的赵铁石教授等通过分析人体踝关节组织结构及康复原理，得到一种3-RSS/S并联康复机构，结构包含4条支链、一个固定底座和一个上平台，中间支链为主要约束链，将上平台和底座相连；剩余的3条支链沿圆周逆方向对称布置，将脚放于上平台，当机构按照预设的轨迹进行运动时，踝关节随着机构的运动进行康复训练[16]。哈尔滨工程大学的俞志伟等基于肌肉组织的并联运动原理，提出一种双足协调式康复机构，如图1-5所示，机构主要包含6个构件，机构通过2个导杆和2个连杆将腿部和足部相连，将导杆作为动力源，连杆在驱动带动下完成踝关节前后、左右翻转运动。机器人在低功率驱动器控制下，不仅可满足踝关节康复训练的运动要求，也有效减少康复机器人的体积、整体重量等[17]。燕山大学的边辉等综合分析了踝关节机构存在的各种问题，提出了2-RRR/UPRR踝关节康复并联机构，与现有的踝关节康复机构相比，最大的区别在于它的虚拟转动中心并不在机构的内部，而在机构外部的某一点处，保证踝关节的转动中心与机构的虚拟转动中心相一致，同时也避免机构?
【参考文献】：
期刊论文
[1]并联踝康复机器人的系统搭建与运动控制策略[J]. 李剑锋,张子康,张雷雨,董明杰,左世平,张凯. 中南大学学报(自然科学版). 2019(11)
[2]基于单开链单元的三转动并联机构型综合及其分类[J]. 李少帅,罗玉峰,石志新,谢冬福,刘振坤. 机床与液压. 2019(17)
[3]中国人口老龄化发展态势、影响及应对策略[J]. 贺丹,刘厚莲. 中共中央党校(国家行政学院)学报. 2019(04)
[4]新型RR-RURU踝关节康复机器人机构的设计与分析[J]. 张彦斌,荆献领,韩建海,陈子豪. 中国机械工程. 2019(14)
[5]3-UPS/S踝关节康复机构及运动分析[J]. 张建中,张广浩,胡化增,李峰. 机械传动. 2019(05)
[6]并联踝康复机器人的设计与运动性能评价[J]. 李剑锋,张凯,张雷雨,张子康,左世平. 机械工程学报. 2019(09)
[7]3-SPS/S踝关节并联康复机构控制系统仿真[J]. 王海芳,李新庆,乔湘洋,祁超飞. 东北大学学报(自然科学版). 2019(03)
[8]基于踝关节运动特性的三转动并联机构构型优选及仿真分析[J]. 李少帅,罗玉峰,石志新,谢冬福,刘振坤. 机械传动. 2019(03)
[9]2PRS/2PUS四自由度并联机构工作空间分析[J]. 蒲志新,金磊. 机械传动. 2018(07)
[10]基于组合函数的脚踝康复机器人轨迹规划[J]. 廖志炜,张俊,卢宗兴,姚立纲. 机电工程. 2018(03)
博士论文
[1]上肢康复机器人及相关控制问题研究[D]. 吴军.华中科技大学 2012
[2]并联机构若干基本问题的研究[D]. 程世利.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]北京市肢体残疾人现状及假肢的需求分析[D]. 赵芳杰.吉林大学 2016
[2]基于AnyBody的汽车驾驶员坐姿生物力学特性分析及舒适性设计[D]. 李文昊.山东大学 2015
[3]肩关节康复训练机器人的设计与研究[D]. 蔡峰.大连交通大学 2012
本文编号：2964684
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xixikjs/2964684.html
