基于3-RUPUR/RU结构的踝关节康复并联机器人的研究

论文摘要

踝关节既是负重关节,又是人体与地面接触的枢纽。踝关节损伤是一种常见骨关节损伤,如果得不到良好的康复治疗,会留下各种后遗症,影响人们的生活质量。目前,用于踝关节康复的产品多为功能单一的器械,使用不当易造成踝关节的再次损伤。国内外已经开展了利用机器人技术对踝关节损伤康复治疗的研究。本文开展的研究工作主要有以下几个方面:一、在对踝关节的解剖结构、损伤机理和运动形式进行了深入的探讨和研究的基础上,提出了踝关节康复机器人的基本要求。结合踝关节的结构特点,描述了用于踝关节康复训练的四种训练模式的康复机理。经对各种并联机构进行比较、分析和研究,提出了一种3-RUPUR/RU并联机构的构型运用于踝关节康复训练。二、用一种简单的几何法对3-RUPUR/RU型并联机构的反解进行了求解,并用数值法得到了一组正解。另外,在推导出速度雅可比矩阵的基础上,求出了力矩雅可比矩阵的解析表达式,为后续驱动电机的选取及控制系统设计奠定了基础。三、根据确定的结构参数,运用UG软件建立了3-RUPUR/RU踝关节康复并联机器人的实体模型,并在ADAMS软件中进行了运动学仿真,避免了繁琐复杂的公式推导,分析过程直观形象,结果准确,验证了设计的正确性与合理性。四、完成了3-RUPUR/RU踝关节康复并联机器人关键部件的结构设计及参数确定。确定驱动杆与机器人两平台间采用RU组合铰链连接的形式,并完成了Hook铰的设计。设计了采用分装式电机连接的丝杠副结构,该结构紧凑美观,对称性好,惯性小,可有效提高机器人的控制精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1-1 踝关节扭伤的康复疗法及康复器械的发展现状
• 1-1-1 踝关节扭伤康复治疗的意义
• 1-1-2 康复医学概述
• 1-1-3 骨科临床与康复医学的关系
• 1-1-4 踝关节扭伤的康复疗法
• §1-2 目前用于踝关节康复治疗的器械
• §1-3 国内外踝关节康复机器人发展概述
• §1-4 课题的意义及主要研究内容
• 1-4-1 课题研究的意义
• 1-4-2 课题研究的主要内容
• 第二章 踝关节康复医学基础及康复机器人的机构选型
• §2-1 踝关节的解剖学结构及损伤的康复机理
• 2-1-1 踝关节解剖学结构与踝部关节的运动功能
• 2-1-2 踝关节的损伤
• 2-1-3 踝关节损伤的治疗
• §2-2 踝关节康复并联机构的选型
• §2-3 本章小结
• 第三章 踝关节康复并联机器人的运动学分析
• §3-1 并联机器人机构分析的理论基础
• 3-1-1 运动学分析的数学基础
• 3-1-2 雅可比矩阵
• §3-2 3-RUPUR/RU 并联机器人机构运动学模型的建立
• §3-3 3-RUPUR/RU踝关节康复并联机器人动力学分析
• 3-3-1 3-RUPRU/RU并联机构自由度计算
• 3-3-2 位置反解
• 3-3-3 位置正解
• 3-3-4 机构的雅可比矩阵分析
• §3-4 3-RUPUR/RU并联机构静力学分析
• 3-4-1 力矩雅可比矩阵
• 3-4-2 力矩输入输出仿真
• §3-5 本章小结
• 第四章 3-RUPUR/RU踝关节康复并联机器人运动学仿真
• §4-1 仿真原理
• §4-2 基于UG和ADAMS的运动学仿真
• 4-2-1 UG和ADAMS的接口
• 4-2-2 3-RUPUR/RU并联机器人的UG简化模型
• 4-2-3 UG简化模型导入ADAMS环境
• 4-2-4 运动仿真及结果分析
• §4-3 本章小结
• 第五章 3-RUPUR/RU并联机器人结构设计
• §5-1 RU组合铰链方案选择及结构设计
• 5-1-1 RU组合铰链的选择
• 5-1-2 Hook铰的设计
• §5-2 移动副结构方案选择及结构设计
• 5-2-1 滚珠丝杠副的计算选择
• 5-2-2 电动机的选择计算
• 5-2-3 电动机安装方案的选择
• §5-3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢