踝关节康复并联机器人的运动学分析及仿真

摘要

踝关节扭伤是骨科临床常见病，易造成踝关节不稳而出现反复扭伤和关节活动度障碍等后遗症。临床试验证明：踝关节扭伤后的康复治疗可以实现踝关节功能的最大恢复，避免后遗症的发生。目前临床使用的踝关机康复器械功能单一，不能满足康复治疗的全部需要。基于并联机构的踝关节康复机器人处于研究阶段，并且大都存在成本过高、噪音大、使用不方便等缺点，不适合家庭使用。 在并联机构中，机构构型决定了机器人的特性。因此，作者从踝关节康复机理出发，在分析和比较了当前可以实现踝关节康复治疗的各种并联机构后，提出了一种带有中心支撑轴的、旋转输入型的新型3-RSS/RU三自由度并联机器人。该机器人可实现三轴旋转运动，符合踝关节康复治疗的需要。 本论文首先推导了3-RSS/RU并联机器人的运动学反解方程，并对位置正解进行了分析，推导了速度雅可比矩阵，在此矩阵的基础上，利用虚功原理得到了力矩传递雅可比矩阵，对力矩的输入输出做出了仿真。在运动学反解的基础上，通过边界数值搜索的方法，对工作空间各截面进行了分析，绘制出了工作空间的三维曲面图，得出了工作空间的形状，讨论了尺寸参数对工作空间的影响并得出了相应的结论。然后利用空间模型理论研究了该并联机器人的速度各向同向性，并绘制了性能图谱，为今后的优化设计奠定了基础。 在反解的基础上，采用参数化设计和人机交互相结合的方法，用MATLAB开发了3-RSS/RU并联机器人运动学和工作空间仿真系统。该系统验证了3-RSS/RU并联机器人符合踝关节康复治疗的需要，并对提高其设计效率具有一定的价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1-1踝关节扭伤及其康复治疗的意义

1-1-1踝关节解剖概要和运动分析

1-1-2踝关节扭伤

1-1-3踝关节扭伤康复治疗的意义

§1-2踝关节扭伤的康复疗法

1-2-1康复医学概述

1-2-2骨科临床与康复医学的关系

1-2-3运动疗法

1-2-4踝关节扭伤的康复治疗

§1-3目前用于踝关节康复治疗的器械

§1-4踝关节康复机器人发展概述

§1-5课题的意义及主要研究内容

第二章并联机器人机构分析理论基础

§2-1并联机器人概述

§2-2并联机器人分析理论研究状况

2-2-1运动学分析

2-2-2工作空间分析

2-2-3性能指标分析

§2-3并联机器人机构分析的理论基础

2-3-1运动学分析的数学基础

2-3-2雅可比矩阵

2-3-3空间模型理论基础

第三章踝关节康复并联机器人的运动学分析

§3-1踝关节康复并联机器人机构选型

§3-2 3-RSS/RU并联机构的运动学分析

3-2-1 3-RSS/RU并联机构自由度计算

3-2-2位置反解

3-2-3位置正解

3-2-4机构的雅可比矩阵分析

§3-3 3-RSS/RU并联机构静力学分析

§3-4本章小结

第四章3-RSS/RU踝关节康复并联机器人工作空间和速度各向同性分析

§4-1 3-RSS/RU并联机器人工作空间分析

4-1-1工作空间定义

4-1-2 3-RSS/RU并联机器人运动学约束条件

4-1-3 3-RSS/RU并联机器人工作空间

§4-2 3-RSS/RU并联机器人速度各向同性分析

4-2-1 3-RSS/RU并联机器人的空间模型

4-2-2 3-RSS/RU并联机器人速度各向同性的性能图谱

§4-3本章小结

第五章3-RSS/RU踝关节康复并联机器人运动学和工作空间仿真

§5-1概述

5-1-1仿真原理

5-1-1仿真语言

§5-2仿真程序的编制

5-2-1程序设计的思路

5-2-2程序实现的功能

§5-3本章小结

第六章结论

参考文献

致谢