具有远程转动中心的踝关节康复机器人分析与设计

论文摘要

踝关节损伤是日常生活和运动中最为常见的运动伤,而且需要合理的锻炼才能够康复。在对国内外现有的踝关节康复机器人进行分析的基础上,从踝关节康复机理出发,提出了新型的具有远程转动中心的并联踝关节康复机构并对其进行机构学分析。基于人机工程学对其具体机械结构进行设计,并制作出试验样机。首先,结合运动解剖学、临床医学和康复医学等相关知识,分析了人体踝关节的结构和所需的康复运动,建立了踝关节的机构学模型。针对踝关节康复运动训练的需要,提出了新型的并联踝关节康复机器人机构,并计算了机构的自由度、讨论了机构输入的合理性。该机构具有绕远程转动中心的三个转动自由度,能够满足踝关节康复运动的要求。其次,对踝关节康复机器人机构进行了运动学分析。得到了机构的位置正反解,绘制了机构在进行基本康复运动时的驱动副输入曲线图;讨论了机构的工作空间及机构参数对工作空间的影响;运用影响系数理论对机构进行了速度、加速度分析,绘制了机构在进行各种康复运动时驱动单元的速度、加速度曲线图。最后,对踝关节康复机器人机构进行了静力学分析,基于以上的理论分析,对踝关节康复机器人具体结构进行设计,制作了符合人机工程学的踝关节康复机器人实验样机。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 康复机器人的研究现状
• 1.2.1 代偿型康复机器人
• 1.2.2 辅助型康复机器人
• 1.2.3 治疗型康复机器人
• 1.3 踝关节康复机器人的研究现状
• 1.4 三自由度转动并联机构的研究现状
• 1.5 课题的来源和研究意义
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 踝关节康复机器人的机构设计
• 2.1 概述
• 2.2 踝关节的结构及机构学模型
• 2.2.1 踝关节的结构
• 2.2.2 踝关节的康复运动
• 2.2.3 踝关节的机构学模型
• 2.3 具有远程转动中心的并联踝关节康复机器人机构模型
• 2.4 自由度分析
• 2.5 输入合理性分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 踝关节康复机器人位置及工作空间分析
• 3.1 概述
• 3.2 康复运动输入分析
• 3.3 康复运动输出分析
• 3.4 康复运动输入输出数值算例
• 3.5 主康复运动的解耦分析
• 3.6 工作空间分析
• 3.6.1 结构约束分析
• 3.6.2 工作空间三维立体图
• 3.6.3 工作空间形状分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 踝关节康复机器人的运动分析
• 4.1 概述
• 4.2 踝关节康复机器人的速度分析
• 4.2.1 分支的一阶影响系数矩阵
• 4.2.2 机构的一阶影响系数矩阵
• 4.2.3 速度分析
• 4.3 踝关节康复机器人的加速度分析
• 4.3.1 分支的二阶影响系数矩阵
• 4.3.2 机构的二阶影响系数矩阵
• 4.3.3 机构的加速度分析
• 4.4 康复运动及数值算例
• 4.4.1 基本康复运动及数值算例
• 4.4.2 复合康复运动及数值算例
• 4.5 踝关节康复机器人运动学性能分析
• 4.5.1 运动学性能评价指标
• 4.5.2 运动性能分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 踝关节康复机器人静力学分析与机械系统设计
• 5.1 概述
• 5.2 踝关节康复机器人的受力分析
• 5.3 康复运动过程中的静力分析
• 5.4 踝关节康复机器人机械结构设计
• 5.4.1 踝关节康复机器人机械系统的构成及模块的划分
• 5.4.2 踝关节康复机器人机械结构模块的设计
• 5.4.3 踝关节康复机器人机械结构实验样机
• 5.5 本章小结
• 结论
• 附录 机构分支二阶影响系数矩阵
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介