3-UPS/S踝关节康复机构及运动分析

通过分析人体踝关节的结构特性,并针对现有踝关节康复机构的现状,提出一种3-UPS/S并联康复机构,该机构具有3自由度转动功能,可以分别完成踝关节的背伸/趾屈、内翻/外翻、内旋/外旋3种模式的训练。运用螺旋理论对其进行了自由度分析,采用D-H法建立了机构位置反解方程,利用Matlab编程计算出了位置反解理论值,并利用ADAMS进行了位置反解仿真分析,验证了D-H法位置反解的正确性。     

一种新型并联式解耦踝关节康复机构及其优化

对踝关节功能损伤的患者,尤其是中风患者来讲,踝关节的康复是一项非常困难的问题。针对此提出一种新型并联式解耦踝关节康复机构,并基于中医康复疗法引入踝关节康复机构需要注重牵引功能的设计思路。所提出的机构能够同时实现单独转动康复(背屈、跖屈,外展、内收)和在牵引下转动的康复过程;利用螺旋理论分析机构在任意位姿下的自由度性质;推导出机构位置正反解,求解速度雅可比矩阵,并对机构进行奇异性分析;通过输出参数对解耦机构杆件尺寸进行优化,基于遗传算法给出数值算例,验证了机构工作空间满足踝关节康复运动的要求。     

面向踝关节康复混联R&(2-SPU+PRR)机构的设计及运动学分析

针对脑卒中患者的踝关节康复及训练,提出一种具有3R1T运动性能的脚踝康复机构。运用螺旋理论分析自由度,利用封闭矢量法求解位置逆解,运用Adams对混联机构进行了运动学分析;并计算了该机构在背伸、趾屈运动时最大转动角度误差值。结果表明,在限位装置的限制下,该机构可在踝关节安全运动范围之内完成患者所需康复运动及竖直方向的关节牵引运动。     

一种三自由度并联踝关节康复机构

在分析现有踝关节康复机构的基础上,提出一种基于3-UPU并联机构的新型踝关节康复机构,该机构具有3个自由度,能够实现踝关节的旋前/旋后、内翻/外翻运动,并且该机构的转动轴线可实现高度和角度方向的调节,从而使机构转动轴线与人体踝关节运动轴线更好的吻合,给患者带来更好的康复效果。求解了机构的自由度,运动学反解,并根据踝关节康复要求对机构尺寸进行确定,进一步求解了机构的工作空间,对机构的运动学进行了仿真验证和样机运动试验。     

(2-SPS+PU)&R混联式踝关节康复机器人及运动学性能分析

基于踝关节康复机理及中医牵引疗法,提出一种(2-SPS+PU)R混联式踝关节康复机器人。该机器人不仅能实现踝关节的三维转动康复,还能实现踝关节沿小腿方向的牵伸运动。基于螺旋理论对2-SPS+PU并联机构自由度进行计算。采用闭环矢量法对其位置逆解及速度雅可比矩阵求解。使用ADAMS软件对(2-SPS+PU)R混联机构进行运动学仿真。仿真结果表明:该机构能够较好地达到踝关节康复所需的运动范围,即趾屈、背伸运动时的最大值分别为25°和20°;内收、外展运动时的最大值均为30°;内翻、外翻运动时的最大值均为20°;牵伸运动时的最大值为25 mm,满足受损踝关节的康复需求。     

基于球副的三自由度踝关节辅助康复装置逆运动学建模分析

为实现踝关节辅助康复,开发了一种基于球副的三自由度踝关节辅助康复装置。该装置采用中心球副作为支撑,3个S'PS'支链进行驱动,可形成工作平台的三维运动,能实现踝关节背屈/跖屈运动、内翻/外翻运动以及内收/外展运动。在介绍该仿生踝关节辅助康复装置结构的基础上,对其进行了逆运动学建模分析。针对系统可以实现的多种运动模式,分别进行建模分析,给出了相关计算公式,并采用Matlab软件绘制了工作平台运动转角与驱动电机转角的关系图线。研究过程为同类结构的机构分析提供了参考。     

踝关节康复机器人设计及人—机运动映射分析

设计一种康复机器人以帮助病人实现踝关节的康复训练。在自由度分析的基础之上,所设计的康复机器人采用3-PUS/S型并联机构。采用旋量理论验证了康复机器人可以实现与踝关节相同的球面运动。通过运动学分析得到机器人的雅可比矩阵。为解决机器人回转中心与踝关节中心不重合的问题,进行了踝关节到康复机器人的运动映射分析。最后通过数值仿真对运动映射进行了验证。     

并联3-RRRPP踝关节康复机构的设计与分析

分析了一种3-RRRPP新型踝关节康复并联机器人机构。综合了该并联机构的结构特性,基于螺旋理论对机构的自由度进行计算,确定其为具有三维转动自由度且转动中心与人体踝关节中心重合的无过约束机构;并基于坐标变换法对机构位置逆解进行分析,利用ADAMS软件进行仿真,验证其正确性;再对其工作空间进行分析,验证其满足踝关节康复训练的需求。     

绳驱动仿人踝关节机构设计及其运动学分析

以人体生理踝部关节结构为模仿对象,设计一种转动轴线空间斜交叉的2自由度绳驱动踝部关节机构。运用D-H法建立了踝部关节的运动学模型,进行了踝关节机构的运动学仿真,分析了踝关节机构的距下关节、踝关节转角对脚部内外翻、内外旋、背曲(跖屈)运动的影响,仿真结果表明设计的踝部关节机构具有良好的运动灵活性,实现了与人体踝部关节接近的运动功能,为仿人机器人高性能踝部关节的研制提供了理论基础。     

面向踝关节康复的四自由度广义球面并联机构运动学性能

针对现有踝关节康复机器人运动特性与人体踝关节实际运动特性存在明显差异,导致人机相容性不理想的问题,基于高匹配度的U₁U₂型踝关节运动拟合模型,提出一种适用于踝关节康复且结构紧凑的四自由度广义球面并联机构。基于螺旋理论分析其运动及约束特性,论证其与踝关节运动拟合模型运动的一致性;分别建立机构的位置及姿态运动学模型,证明了该机构的位置与姿态之间运动学完全解耦;基于雅可比矩阵极其条件数分析,阐明该机构在纯背伸趾屈和纯内外翻运动中均具有运动学的完全各向同性性质,且在踝关节工作空间内具有较好的灵巧性及可操作度,并无奇异位形等病态位置存在,通过数据对比验证该机构具有较好的运动学特性,适用于踝关节康复。