基于球面并联机构的ALS颈椎外骨骼理论分析与设计

发布时间：2017-08-17 06:00

  本文关键词：基于球面并联机构的ALS颈椎外骨骼理论分析与设计

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【摘要】：本文旨在设计一种ALS(amyotrophic lateral sclerosis,肌萎缩侧索硬化症)颈椎外骨骼,该机构的原型属于球面并联机构的一种,对其进行理论研究与优化设计。首先通过分析ALS治疗方式和颈托的研究现状,发现ALS的治疗方式偏向于多种治疗策略联合,而且目前尚无为ALS患者专门设计的颈椎外骨骼。因此研制一种可以实现ALS患者头部3个自由度旋转的颈椎外骨骼,不仅可以填补目前颈椎外骨骼技术空白,还为ALS患者提供新的联合治疗策略,具有重大意义。本文以ALS颈椎外骨骼为研究对象,综合分析球面并联机构的构型,针对实现ALS患者颈部运动的功能目标,提出了ALS颈椎外骨骼的优选准则,最终确定了以3-RRS球面并联机构作为ALS颈椎外骨骼的机构原型。建立颈椎外骨骼机构原型坐标系,并确定了四个主要设计参数。在此基础上,运用球面解析理论对颈椎外骨骼进行位置分析,并通过绘制输入和输出之间的关系曲线来验证位置分析的正确性。在位置分析的基础上,建立ALS颈椎外骨骼的速度输入、输出方程,从而得到速度雅可比矩阵。因为颈椎外骨骼机构的特殊性,可由虚功原理直接得到驱动力矩和运动平台所受的外力矩的关系方程,从而得到该机构的力雅可比矩阵。在Gosselin提出的全域性能指标作为评价标准的基础上,提出了四种评价性能指标作为判断ALS颈椎外骨骼性能优劣的标准,分析了颈椎外骨骼在不同结构参数下的性能图谱。除此之外,还通过分析约束条件,采用边界搜索的方法,对颈椎外骨骼的在不同设计参数下截面工作空间进行了分析研究。以ALS颈椎外骨骼各性能指标、工作空间以及满足ALS患者颈部运动需要为依据,选取合理的机构设计参数值,设计出满足ALS患者需求的颈椎外骨骼。在ADAMS环境下建立ALS颈椎外骨骼的结构模型,根据实际需要,完成该机构的具体参数设计。建立控制系统模型,并通过Simulink和ADAMS联合仿真,验证控制策略是否满足ALS颈椎外骨骼的需求,从而进一步保证设计的ALS颈椎外骨骼辅助患者活动头部的可行性。
【关键词】：ALS颈椎外骨骼 球面并联机构 位置分析 性能分析 工作空间
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH112;R744.8
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题来源及研究背景和意义9-11
• 1.1.1 课题来源9
• 1.1.2 课题研究的背景和意义9-11
• 1.2 ALS的研究概况11-15
• 1.2.1 ALS治疗的国内外研究现状11-12
• 1.2.2 颈托的国内外研究现状12-14
• 1.2.3 ALS研究现状的简析14-15
• 1.3 球面三自由度机构的研究概况15-17
• 1.4 本文的主要研究内容17-19
• 第2章 ALS颈椎外骨骼原型设计及位置分析19-41
• 2.1 引言19
• 2.2 颈椎运动机理19-20
• 2.3 颈椎外骨骼机构原型20-25
• 2.3.1 球面并联机构选型20-21
• 2.3.2 颈椎外骨骼机械结构原型设计21-22
• 2.3.3 颈椎外骨骼机构原型坐标系建立22-23
• 2.3.4 颈椎外骨骼机构原型主要结构参数23-24
• 2.3.5 颈椎外骨骼机构组装条件24-25
• 2.4 颈椎外骨骼位置分析25-40
• 2.4.1 球面解析理论25-26
• 2.4.2 颈椎外骨骼位置反解分析26-31
• 2.4.3 颈椎外骨骼位置正解分析31-37
• 2.4.4 颈椎外骨骼位置分析实例37-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第3章 颈椎外骨骼传动性能及工作空间分析41-60
• 3.1 引言41
• 3.2 颈椎外骨骼运动学传动性能分析41-49
• 3.2.1 速度雅可比矩阵的求解41-43
• 3.2.2 全域角速度传递性能指标43-46
• 3.2.3 全域角速度波动性能指标46-49
• 3.3 颈椎外骨骼力学传动性能分析49-55
• 3.3.1 力雅可比矩阵的求解49-50
• 3.3.2 全域力矩传递性能指标50-53
• 3.3.3 全域力矩波动性能指标53-55
• 3.4 颈椎外骨骼工作空间分析55-59
• 3.4.1 颈椎外骨骼约束条件分析56
• 3.4.2 颈椎外骨骼工作空间的确定56-59
• 3.5 本章小结59-60
• 第4章 颈椎外骨骼样机设计及仿真60-71
• 4.1 引言60
• 4.2 颈椎外骨骼具体设计参数60-63
• 4.3 颈椎外骨骼建模与联合仿真63-70
• 4.3.1 颈椎外骨骼ADAMS建模63-64
• 4.3.2 定义颈椎外骨骼模型输入输出变量64-65
• 4.3.3 颈椎外骨骼控制系统的建立65-66
• 4.3.4 颈椎外骨骼联合仿真结果及分析66-70
• 4.4 本章小结70-71
• 结论71-73
• 参考文献73-78
• 致谢78

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本文编号：687374