一种并联脚踝康复机构的运动学与工作空间分析

对3-UPS/RRR并联脚踝康复机构的结构和特点进行了描述,建立了虚拟样机模型。首先利用螺旋理论计算机构自由度,确定机构运动类型,运用闭合矢量法建立机构位置反解模型,并结合瞬时螺旋运动理论求解机构速度雅可比矩阵,其次采用数值离散搜索法求解该机构的可达姿态空间,最后借助MATLAB软件对机构的运动学及工作空间进行仿真。结果表明该机构能够实现脚踝康复运动,工作空间无奇异且具有良好的动态特性。     

2UPS/RR脚踝康复机构设计与工作空间优化

为了实现脚踝康复运动，设计开发2UPS/RR脚踝康复机器人；通过螺旋理论对并联机构自由度进行计算，使用闭环矢量法求得机构的逆解方程，应用点集搜索法求得机构得工作空间；调整并研究机构杆件空间位置布局对工作空间及面积的影响，结果表明，优化后的机构的工作空间能够满足脚踝康复所需的运动角度。最后以MATLAB及ADAMS软件通过实例验证逆解正确性，并仿真得到机构确定点在空间中运动轨迹。     

一种基于平面连杆机构原理的新型脚踝康复机的设计与研究

脚踝扭伤是目前日常生活中最常见的伤病之一。康复机器人可以辅助脚踝扭伤患者康复,但由于其操作复杂、使用成本高,不能满足大众的使用要求。本文采用一种曲柄连杆机构设计了新型康复机,并进行了结构校核。通过UG建模仿真实验对机构进行了运动分析,仿真结果证明设计的康复机达到了预期效果,工作效果良好、操作简单且经济实用,可以使脚踝损伤患者及早地恢复健康。     

基于组合函数的脚踝康复机器人轨迹规划

针对所设计的混联式脚踝康复机器人的轨迹规划问题,对该机构并联部分的运动学逆解、轨迹规划方法、推杆输出控制进行了研究,提出了一种摆线函数和矩形函数相组合的康复轨迹,推导了其加速度、速度和位移的解析表达式。对比分析了该组合轨迹函数和传统摆线形式的轨迹函数对脚踝康复机构运动启停平稳性、最大速度、最大加速度以及刚性冲击的影响;最后,根据运动学逆解,计算了康复机构作跖屈/背屈运动时各推杆的输出量,并将其导入ADAMS进行了仿真实验,探讨了不同组合函数下各推杆的运动参数以及末端参考点的运动轨迹。研究结果表明:采用组合函数形式轨迹的新型混联式脚踝康复机器人能为患者提供一种启停平稳性较好,最大速度/加速度小、刚性冲击较小的康复运动。     

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。     

脚踝康复训练机构研究综述

分析了国内外脚踝康复训练装置的研究现状,讨论了脚踝康复训练装置在机械结构、控制算法、工作空间和运动性能评价等方面现有的研究方法.综述了并联机构、自由度和驱动方式的大致分类,简述了各机械结构的优缺点,并给出了相应结论.控制算法主要包括自适应导纳控制方案、位置和接纳控制方案及轨迹规划,工作空间主要包括位置空间和姿态空间,运动性能评价主要包括操作性、灵巧性和安全性.最后,列举了脚踝康复训练装置研究中存在的问题,同时提出了解决问题的相关方法.     

下肢康复训练机器人的运动协调仿真

随着机器人技术的发展以及人体运动参数化描述的进步,出现了一种新型机器人--康复训练机器人.而下肢康复训练机器人可以模拟正常人的行走位姿,带动下肢有运动障碍的病人进行康复训练.文中采用曲柄摇杆机构来实现人的跨步过程,分析了连杆上支点的运动轨迹;利用曲柄摇杆机构中增加的连杆和滑轨来实现脚踝的运动,分析了踝关节的运动相位,且与步态运动相协调;通过Matlab和ADAMS的运动仿真优化该机构的设计,并通过实验验证优化结果的合理性,整体简化了下肢康复训练机器人结构,降低成本.     

踝关节康复六杆机构的性能分析

提出了一种能帮助病人实现踝关节康复的六杆机构,首先建立机构的矢量方程,从而得到其所求输出点的轨迹方程。通过对助行过程中的运动学特性进行仿真分析,得到机构输出点脚踝和脚尖的位移、速度、加速度图,并分析出适合机构曲柄运动的合适转速。仿真分析的结果为人机作用点的选择、踝关节康复训练方式的制定及相应控制方式的选择提供了理论依据。     

往复式交错平移脚踝康复机

脑瘫患者的康复成为当今社会的一大难题,而踝关节的康复是脑瘫患者康复的一个关键环节。同时一些运动员的脚踝损伤也是人们关注的焦点。本文以设计踝关节康复器械为研究目的,根据踝关节康复的需要以及相关的医学知识,详细的分析了踝关节的运动和康复方法。在此基础上,对踝关节康复器械机构进行了研究。     

一种新型低耦合度半对称2T1R并联机构的拓扑设计及运动学

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论和方法,设计了一种可实现两平移一转动(2T1R)输出运动的半对称并联机构,并对该机构的方位特征集、自由度、耦合度3个主要拓扑特征进行了分析计算,表明该机构的耦合度为1。然后,基于序单开链(Single Open Chain,SOC)的运动学建模原理,求解了机构的位置正解,导出位置机构反解解析式;进一步根据导出的位置反解公式分析了该机构的工作空间及其转动能力,研究了机构发生奇异的条件;并对机构的速度及其加速度进行了仿真分析。最后,对机构应用于脚踝按摩仪的原理进行了分析。     

踝关节章动式康复运动轨迹规划

作为一种常见的骨骼损伤方式,踝关节损伤的康复过程十分漫长。现有研究中规划的踝关节康复轨迹模式较单一、且容易造成踝关节的二次损伤。为避免踝关节的二次损伤,需要对其康复运动轨迹进行精心规划。有鉴于此,提出一种混联式踝关节康复装置,并提出一种基于章动原理的康复运动轨迹规划方法。结合踝关节康复运动的安全性要求,借助生物力学软件AnyBody分析了不同位姿下相关肌肉的活动度,进而确定了章动式踝关节康复运动轨迹的章动角。在此基础上,通过运动学推导,给出了混联式踝关节康复装置中各推杆的位移。最后,以所提混联式踝关节康复装置为对象搭建系统的运动控制平台,并通过激光跟踪仪对动平台上的运动参考点进行跟踪。理论和实测数据对比表明,所提章动式踝关节康复运动轨迹能实现跖屈/背屈、内翻/外翻的复合运动,并满足康复安全性要求。所设计的混联式踝关节康复装置及章动式康复运动轨迹可为踝关节患者的康复训练提供有效的解决方案。     

基于足底力反馈的踝关节主被动康复策略

踝关节机能损伤人群数量增长与康复医师紧缺是现阶段面临的一个重要社会问题,为此,基于一款2-SPU/RR踝关节康复机器人提出一种主被动结合的辅助康复策略。首先建立虚拟样机模型和对应的结构简图,进行运动学分析,求解了机器人的工作空间,结果表明该机器人能够满足踝关节跖屈-背屈和内翻-外翻复合运动需求。然后针对目前康复机器人主要研究内容为被动康复问题,未能根据患者脚踝实际损伤情况进行康复,提出一种踝关节机器人主被动康复结合的方法。先预设康复运动轨迹,基于足底压力数据和力感知算法获得患者的运动意图,通过软硬件控制系统实现机器人主动跟随,同时将运动轨迹进行记录和数据化。最后对描迹轨迹进行优化,根据优化轨迹使用5段S型加减速控制方式进行定制化被动康复。主被动康复系统实现了机器人跟随控制与患者主动行为感知的结合,有助医师对踝关节机能损伤患者的诊断与治疗。     

驱动支链完全解耦的可重构踝关节康复并联机构型综合

基于术后6～12周内的前、中、后期踝关节扭伤的康复运动需求,提出具有三种康复运动模式的可重构踝关节康复并联机构。首先,针对胫距关节和距下关节的轴线运动特征,研究踝关节康复运动切换机理和“双心”特性,提出符合踝关节自由度和轴线运动特性的六种融合支链;根据构型约束支链的选取方案,筛选出四种无约束支链。其次,基于旋量理论对六种融合支链进行过约束设计,验证符合实际需求的融合支链;根据传递力旋量与动平台运动轴线关系,提出一种驱动支链完全解耦优化方法,得到三种无约束驱动支链以及十二种机构构型,使得机构在三种康复模式中实现完全解耦。最后,通过ADAMS仿真验证机构的三种运动分支及完全解耦的正确性。可重构踝关节康复机器人依据患者康复需求采取对应康复模式,适用范围广,针对性强,控制简单。     

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。     

面向踝部康复的广义球面并联机构型综合

针对现有踝关节康复机器人难以充分拟合踝关节复杂运动,人机相容性较差的问题,提出一系列与踝关节实际骨结构匹配程度更高的串联等效拟合模型。为满足踝关节串联等效拟合模型对康复机器人机构本体的功能需求,给出一种具有串联等效拟合模型的广义球面并联机构型综合方法。首先枚举出广义球面机构的基本构件及运动副,并依此构造出广义球面支链。继而基于螺旋理论分析单支链以及多支链组合对动平台的约束性能,给出支链的组合条件与原则,阐明不同支链在机构中作用的异同,并依此归纳出位置支链和姿态支链两类广义球面基本支链。最后基于基本支链的约束特性,根据支链组合条件,综合出一系列适用于踝关节康复机器人本体研究的广义球面并联机构,并通过螺旋理论证明其与踝关节串联等效拟合模型的自由度数及性质具有一致性,为此类康复机器人本体设计提供理论依据。     

基于虚拟现实的踝关节康复机器人的综述

根据国内外踝关节康复器械的研究现状,提出了基于虚拟现实的踝关节康复机器人的构成,其本质是一种触觉感知接口。从医学、虚拟现实技术和触觉感知接口技术的角度,阐述了亟待解决的虚拟现实建模、三维图形处理、系统融合、透明性、灵敏度等关键技术。分析了康复方案及功能评价策略的制定。     

新型RR-RURU踝关节康复机器人机构的设计与分析

基于无耦合RR-RURU转动并联机构设计出一种新型踝关节康复机器人。利用螺旋理论对机构进行了运动输出特性分析和自由度计算;推导出机构动平台的姿态方程和角速度方程,讨论了机构满足运动学完全各向同性的结构条件;根据机构分支运动链的运动螺旋系的线性相关性,分析了机构的运动学奇异性并给出其奇异位形;研究了机构的工作空间,得到其可达工作空间的三维图形。绘制出新型踝关节康复机器人的CAD模型,利用临床医学步态分析数据（CGA）得到其输出角位移曲线,并对其动力学进行了虚拟样机仿真。研究结果为该新型踝关节康复机器人的样机试制提供了理论基础。     

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。     

A joint normalcy index to evaluate patients with gait pathologies in the functional aspects of joint mobility

Gait analysis using 3D motion capture systems provides joint kinematic and kinetic analysis results such as joint relative angles and moments that can be use used to evaluate the degrees of pathological gait patterns. However, the complex data produced using these 3D motion capture systems can only analyzed by experts, because the gait analysis is highly coupled to the kinematics of each joint. Therefore, several Several previous studies using gait analysis have relied on the data compression technique to represent gait deviation from the average normal profiles as a single value. Even though it is important to evaluate gait pathologies at the joint level, all these previous studies have just used a single value to evaluate the pathological gait pattern. Using just one variable for evaluation of a gait is limited in terms of determining which joint movement patterns are getting better during rehabilitation. Therefore, in this study, a method suitable for evaluating gait deviation during a gait was developed to provide three indices for the hip, knee and ankle joints. In addition, to validate the proposed method in clinical cases, experimental tests were conducted on thirty thirty-six normal walkers and six patients with cerebral palsy. Furthermore, to validate the proposed method in regards to rehabilitation, experimental tests were conducted on three classified walking groups with imposed ankle equinus constraints. The JNI for the hip joint, knee joint and ankle were 8.78 (±3.70), 2.92 (±3.25) and 8.79 (±4.38), respectively, in the normal walking group. However, these values were significantly different for the pathological walking group with cerebral palsy. The JNI of the hip joint, knee joint and ankle joint were 203.73 (±171.59), 81.23 (±52.13) and 248.39 (±149.99), respectively, for this group. There were also differences between any two of the three classified groups with imposed ankle equinus constraints. In particular, the JNI of the ankle joint was statistically different at the p<0.01 level, and this parameter clearly increased as the degree of the imposed ankle equinus was increased. These results demonstrate that the proposed JNI can be used as a scalar factor to evaluate the angular deviation of each joint in normal and patient groups. In addition, this approach can be adapted to evaluate rehabilitation and pre/post surgery.