基于3-RRS球面并联机构脚踝康复机器人的设计与研究

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-RRSSPM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-RRSSPM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。

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1 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 SPM研究现状与分析

1.3 脚踝康复机器人研究现状与分析

1.4 并联机构研究现状与分析

1.5 主要研究内容

1.6 本章小结

2 3-RRS SPM运动学分析

2.1 3-RRS SPM的结构组成与坐标系的建立

2.2 3-RRS SPM的自由度分析

2.3 3-RRSSPM的位置分析

2.43-RRS SPM实例分析

2.5 本章小结

3 3-RRSSPM运动学性能分析

3.1 速度与Jacobian矩阵分析

3.2 加速度分析

3.3 奇异性分析

3.4 工作空间分析

3.5 本章小结

4 3-RRS SPM静力分析

4.1 3-RRS SPM动平台受力分析

4.2 3-RRS SPM曲柄的受力分析

4.3 3-RRS SPM连杆的受力分析

4.4 动平台、连杆以及曲柄受力化简

4.5 本章小结

5 脚踝康复机器人的机构设计

5.1 人体脚踝的结构分析

5.2 脚踝康复机器人设计

5.3 本章小结

6 3-RRS球面脚踝康复机器人有限元分析

6.1 模型的导入和网格划分

6.2 约束和接触的添加

6.3 载荷的添加

6.4 仿真结果分析

6.5 本章小结

7 运动仿真

7.1 导入模型、添加约束

7.2 运动学逆解仿真

7.3 本章小结

8 总结与展望

8.1 总结

8.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢