本文關(guān)鍵詞：新型繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

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【摘要】：本文基于人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),提出一種適用于腳踝康復(fù)的新型三自由度繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。由于新型等效球面副和動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì),機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心可以很容易地和踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心相重合,較目前存在的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人,這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。本研究首次系統(tǒng)地將繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于踝關(guān)節(jié)康復(fù)領(lǐng)域,拓展了繩驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用范圍。主要研究?jī)?nèi)容如下： 首先,結(jié)合解剖學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)及康復(fù)醫(yī)學(xué)等相關(guān)知識(shí),分析了腳踝的運(yùn)動(dòng)功能、損傷和康復(fù)訓(xùn)練。提出了新型繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則,從原理上完成了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),在機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,完成了機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并分別介紹了各部分的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)所設(shè)計(jì)的繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了自由度分析,初步驗(yàn)證了其運(yùn)動(dòng)性能。 然后,對(duì)繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析,主要包括：采用封閉矢量法建立了機(jī)構(gòu)位置反解模型；推導(dǎo)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)速度和加速度反解：利用Rodridgues參數(shù)法和Newton-Raphson迭代法分別建立了機(jī)構(gòu)位置正解的解析解和數(shù)值解模型；根據(jù)實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解模型的正確性,并繪制了機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)四根驅(qū)動(dòng)繩索長(zhǎng)度、速度、加速度的變化曲線,為后續(xù)的分析奠定了理論基礎(chǔ)。 接著對(duì)繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析,分別求解了機(jī)構(gòu)的力可控和力可調(diào)工作空間,通過(guò)MATLAB繪制了兩種工作空間的范圍圖。對(duì)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)繩索張力的分配原則及張力分配算法進(jìn)行了分析及優(yōu)化。針對(duì)所設(shè)計(jì)的繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)冗余度為1的特點(diǎn),重新定義了驅(qū)動(dòng)繩索張力的最低解、最高解和最優(yōu)解,并通過(guò)仿真研究證明了張力分配算法的正確性。 利用牛頓歐拉法建立了機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)器及整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)機(jī)構(gòu)的靈巧性和奇異性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià),從剛度的基本定義出發(fā),推導(dǎo)了機(jī)構(gòu)的剛度矩陣,進(jìn)行了相應(yīng)的剛度數(shù)值計(jì)算,給出了機(jī)構(gòu)剛度矩陣的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 最后,對(duì)繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)建模,利用Adams軟件進(jìn)行了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究,完成了機(jī)構(gòu)的康復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與仿真,仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能力,達(dá)到了本設(shè)計(jì)的要求。
【關(guān)鍵詞】：踝關(guān)節(jié)康復(fù) 繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)學(xué) 繩索張力分配 性能分析 運(yùn)動(dòng)仿真
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH112
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 緒論12-24
• 1.1 研究背景與意義12-13
• 1.2 踝關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械的發(fā)展現(xiàn)狀13-14
• 1.3 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人14-18
• 1.3.1 國(guó)內(nèi)外踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀14-18
• 1.3.2 現(xiàn)有踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的不足18
• 1.4 繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀18-22
• 1.4.1 繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的理論研究18-19
• 1.4.2 繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用19-22
• 1.5 課題的研究?jī)?nèi)容22-24
• 2 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究24-42
• 2.1 踝關(guān)節(jié)相關(guān)醫(yī)學(xué)機(jī)理和康復(fù)訓(xùn)練24-30
• 2.1.1 踝關(guān)節(jié)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)功能分析24-27
• 2.1.2 踝關(guān)節(jié)損傷與康復(fù)治療27-30
• 2.2 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則30
• 2.3 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的原理設(shè)計(jì)30-33
• 2.4 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)33-40
• 2.4.1 具有位置反饋的等效球副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)33-34
• 2.4.2 繩索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)34-35
• 2.4.3 繩張力檢測(cè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)35-36
• 2.4.4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)36-38
• 2.4.5 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)38-40
• 2.5 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)自由度分析40-41
• 2.6 本章小結(jié)41-42
• 3 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析42-58
• 3.1 機(jī)構(gòu)位姿的歐拉角描述42-43
• 3.2 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)及坐標(biāo)系的建立43-45
• 3.3 機(jī)構(gòu)位置反解45-46
• 3.4 機(jī)構(gòu)位置正解46-50
• 3.4.1 解析法46-49
• 3.4.2 Newton-Raphson迭代法49-50
• 3.5 機(jī)構(gòu)位置正反解模型正確性的驗(yàn)證50-52
• 3.6 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的速度分析52-54
• 3.7 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的加速度分析54-55
• 3.8 數(shù)值計(jì)算及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真55-56
• 3.9 本章小結(jié)56-58
• 4 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)工作空間及張力分配58-74
• 4.1 繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)力可控工作空間58-59
• 4.2 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析59-61
• 4.3 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)工作空間61-69
• 4.3.1 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)力可控工作空間61-63
• 4.3.2 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)繩索張力分配63-65
• 4.3.3 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)力可調(diào)工作空間65-69
• 4.4 驅(qū)動(dòng)繩索拉力分布的優(yōu)化研究69-71
• 4.4.1 繩索拉力的最低解、最高解及最優(yōu)解69
• 4.4.2 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)繩拉力的最優(yōu)解69-70
• 4.4.3 仿真分析70-71
• 4.5 本章小結(jié)71-74
• 5 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及工作性能分析74-88
• 5.1 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型74-77
• 5.1.1 動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型74-75
• 5.1.2 驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)模型75-76
• 5.1.3 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型76-77
• 5.2 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的靈巧性77-79
• 5.3 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的奇異性79-82
• 5.3.1 奇異的分類及一般求解方法79-80
• 5.3.2 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的奇異性分析80-82
• 5.4 靜剛度分析82-87
• 5.4.1 剛度矩陣83-84
• 5.4.2 剛度分布的評(píng)價(jià)指標(biāo)84-85
• 5.4.3 剛度數(shù)值計(jì)算與分布評(píng)價(jià)85-87
• 5.5 本章小結(jié)87-88
• 6 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的仿真與軌跡規(guī)劃88-100
• 6.1 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)建模88-89
• 6.2 繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真89-93
• 6.3 康復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與仿真93-99
• 6.3.1 軌跡規(guī)劃93-97
• 6.3.2 仿真研究97-99
• 6.4 本章小結(jié)99-100
• 7 總結(jié)與展望100-104
• 7.1 工作總結(jié)100-101
• 7.2 研究展望101-104
• 參考文獻(xiàn)104-110
• 附錄A110-112
• 作者簡(jiǎn)歷及攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果112-116
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集116

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前5條

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本文編號(hào)：1132449