本文關(guān)鍵詞：基于Kinematic-Mapping的運(yùn)動(dòng)綜合理論及其在輔助康復(fù)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

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【摘要】：機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)綜合是從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),使其實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)方式。如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合與尺度綜合是機(jī)構(gòu)綜合的一個(gè)難題。傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合理論往往能得到數(shù)學(xué)意義上的最優(yōu)解,但無法根據(jù)服役環(huán)境、材料性能、精度要求等實(shí)際需求來進(jìn)行調(diào)整和擴(kuò)充,導(dǎo)致機(jī)構(gòu)無有效解,并且計(jì)算量隨位置數(shù)目遞增。在機(jī)構(gòu)應(yīng)用中,輔助康復(fù)機(jī)構(gòu)是近年興起的一種用于協(xié)助行動(dòng)不便人士實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)動(dòng)的設(shè)施�，F(xiàn)有的康復(fù)機(jī)構(gòu)大多為多關(guān)節(jié)多自由度機(jī)構(gòu),通過協(xié)調(diào)控制的方式實(shí)現(xiàn)人體部位相應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡。人體各部位的運(yùn)動(dòng)軌跡有各自固定的模式和特點(diǎn),理論上用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易控制、體積小、經(jīng)濟(jì)性好的少自由度機(jī)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn),用少自由度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人體部位運(yùn)動(dòng)軌跡的輔助康復(fù)裝置成為近年來的研究熱點(diǎn)。本文以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405128)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)映射的平面／球面機(jī)構(gòu)構(gòu)型與尺度一體化運(yùn)動(dòng)綜合方法研究為依托,主要致力于基于Kinematic-Mapping理論的平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)綜合方法的研究,拓展了平面運(yùn)動(dòng)的幾何約束類型并建立了數(shù)學(xué)模型,完成了基于Kinematic-Mapping的平面N個(gè)位姿近似運(yùn)動(dòng)綜合方法和面向平面六桿機(jī)構(gòu)的五位姿精確運(yùn)動(dòng)綜合方法的理論推導(dǎo)�；谠摾碚摲椒�,運(yùn)用MATLAB語言開發(fā)設(shè)計(jì)了《機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)綜合交互軟件》,用以解決基于Kinematic-Mapping理論的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算、運(yùn)動(dòng)仿真等問題。提出了基于Kinematic-Mapping理論的康復(fù)機(jī)構(gòu)的通用設(shè)計(jì)方法,結(jié)合STS輔助康復(fù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果,對(duì)理論進(jìn)行了驗(yàn)證,完成了軟件的測(cè)試。通過分析不同平面機(jī)構(gòu)可能存在的幾何約束形式,提煉出各類型運(yùn)動(dòng)的約束條件的幾何表達(dá)形式,將不同構(gòu)型機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與綜合的過程轉(zhuǎn)化成幾何層面的數(shù)學(xué)運(yùn)算,并推導(dǎo)出各約束條件的通用數(shù)學(xué)表達(dá)式。在分析平面N位姿近似運(yùn)動(dòng)綜合問題基礎(chǔ)上,提出了一種新的針對(duì)平面N個(gè)目標(biāo)位姿可擴(kuò)展機(jī)構(gòu)解空間的平面運(yùn)動(dòng)綜合方法,用以解決傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)求解時(shí)出現(xiàn)的“數(shù)學(xué)意義上的精確解不存在”、“目標(biāo)位姿多造成運(yùn)算量大或無解”,“數(shù)學(xué)意義上的有限最優(yōu)解不能滿足實(shí)際工程需求而無解”的問題。通過引入更多特征向量,擴(kuò)大擬合誤差容許范圍的方法來進(jìn)一步拓展解空間,獲得更多近似解。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際需要選取最優(yōu)二桿組構(gòu)建成四桿機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)給定位姿,同時(shí)完成機(jī)構(gòu)類型與尺度綜合。面對(duì)“給定5個(gè)目標(biāo)位姿精確運(yùn)動(dòng)綜合,不存在平面四桿機(jī)構(gòu)解”的問題,基于Kinematic-Mapping理論,提出了一種新的拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)／演化方案,用于構(gòu)造能夠精確通過五個(gè)任意平面位姿的瓦特型或斯蒂芬森型六桿機(jī)構(gòu)。針對(duì)瓦特型和斯蒂芬森型六桿機(jī)構(gòu)的不同特征,推導(dǎo)了斯蒂芬森型六桿運(yùn)動(dòng)鏈和瓦特型六桿運(yùn)動(dòng)鏈的拓?fù)溲莼^程。建立了兩種拓?fù)湫土鶙U機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定方法。設(shè)計(jì)了瓦特型和斯蒂芬森型六桿機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的通用設(shè)計(jì)流程,能夠快速有效地確定六桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)型與尺寸�；谝陨侠碚撻_發(fā)了《平面運(yùn)動(dòng)綜合交互軟件》,該軟件能解決平面N位姿運(yùn)動(dòng)綜合、具有可拓展解空間的平面N位姿運(yùn)動(dòng)綜合、以及面向平面六桿機(jī)構(gòu)的5位姿精確運(yùn)動(dòng)綜合的問題的設(shè)計(jì)計(jì)算和運(yùn)動(dòng)仿真。軟件具有較好的通用性和穩(wěn)定性,只需輸入給定的欲實(shí)現(xiàn)的位姿數(shù)據(jù),軟件內(nèi)部進(jìn)行綜合,求解得到最適合給定位置的機(jī)構(gòu),并在界面中給出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真,用戶可以直觀比較機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位姿軌跡與給定位姿的誤差。基于前述理論,運(yùn)用平面運(yùn)動(dòng)綜合交互軟件,提出了一種針對(duì)人體STS (Sit-to-Stand,坐姿到站立)運(yùn)動(dòng)過程中不同部位位姿軌跡的輔助康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,該方法以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡為導(dǎo)向,綜合考慮構(gòu)型綜合、尺度綜合以及多種實(shí)際約束條件,設(shè)計(jì)得到各類型單自由度機(jī)構(gòu)。通過兩個(gè)STS輔助康復(fù)設(shè)計(jì)的應(yīng)用案例,驗(yàn)證了理論基礎(chǔ)的正確性,測(cè)試了軟件的性能。
【關(guān)鍵詞】：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合 運(yùn)動(dòng)學(xué)映射方法 輔助康復(fù)機(jī)構(gòu) UI開發(fā)
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH789
【目錄】：

• 致謝9-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-22
• 第一章 緒論22-37
• 1.1 背景及研究意義22
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析22-33
• 1.2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合的研究現(xiàn)狀與發(fā)展22-23
• 1.2.2 機(jī)構(gòu)拓?fù)湫途C合方法研究現(xiàn)狀與發(fā)展23-24
• 1.2.3 機(jī)構(gòu)尺度綜合方法研究現(xiàn)狀與發(fā)展24-25
• 1.2.4 Kinematic-Mapping方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展25-26
• 1.2.5 站立輔助康復(fù)裝置的研究現(xiàn)狀與發(fā)展26-33
• 1.3 存在的問題與不足33-35
• 1.3.1 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)綜合理論存在的問題與不足33-34
• 1.3.2 站立輔助康復(fù)裝置的問題與不足34-35
• 1.4 論文研究的內(nèi)容與方法35-37
• 第二章 平面運(yùn)動(dòng)的幾何約束及其對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)37-51
• 2.1 常見幾何約束類型37-38
• 2.2 點(diǎn)與各約束圖形的關(guān)系38-45
• 2.2.1 動(dòng)剛體上一點(diǎn)被定圓所約束38-39
• 2.2.2 動(dòng)剛體上一點(diǎn)被定圓弧所約束39-40
• 2.2.3 動(dòng)剛體上一點(diǎn)被定圓環(huán)域所約束40-41
• 2.2.4 動(dòng)剛體上一點(diǎn)被定直線所約束41-42
• 2.2.5 動(dòng)剛體上一點(diǎn)被平行域所約束42-43
• 2.2.6 動(dòng)剛體上一點(diǎn)被定橢圓所約束43-45
• 2.3 直線與各約束圖形的關(guān)系45-50
• 2.3.1 動(dòng)剛體上一直線被定圓所約束45-46
• 2.3.2 動(dòng)剛體上一直線被定圓弧所約束46
• 2.3.3 動(dòng)剛體上一直線被定圓環(huán)域所約束46-47
• 2.3.4 動(dòng)剛體上一直線被定直線所約束47-48
• 2.3.5 動(dòng)剛體上一直線被平行域所約束48-49
• 2.3.6 動(dòng)剛體上一直線被定橢圓所約束49-50
• 2.4 本章小結(jié)50-51
• 第三章 基于Kinematic-Mapping的平面N個(gè)位姿近似運(yùn)動(dòng)綜合方法51-70
• 3.1 四元數(shù)理論52-53
• 3.2 平面運(yùn)動(dòng)的四元數(shù)參數(shù)化表達(dá)53-55
• 3.3 幾種常見平面約束流形55-64
• 3.3.1 RR型二桿組約束流形56-58
• 3.3.2 PR型二桿組約束流形的公式58-59
• 3.3.3 RP型二桿組約束流形的公式59-61
• 3.3.4 平面桿組的組合形式61-64
• 3.4 平面N位姿運(yùn)動(dòng)綜合問題的轉(zhuǎn)化64
• 3.5 平面N位姿在映射空間中的曲面擬合64-67
• 3.6 平面N位姿運(yùn)動(dòng)綜合解空間的拓展67-69
• 3.7 本章小結(jié)69-70
• 第四章 面向平面六桿機(jī)構(gòu)的五位姿精確運(yùn)動(dòng)綜合方法70-82
• 4.1 平面六桿機(jī)構(gòu)70-71
• 4.2 六桿機(jī)構(gòu)的拓?fù)湫驮O(shè)計(jì)/演化71-75
• 4.3 不同拓?fù)湫土鶙U機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的通用確定方法75-81
• 4.3.1 通過5個(gè)平面位姿的三桿組開鏈尺寸設(shè)計(jì)75-77
• 4.3.2 通過5個(gè)平面位姿的二桿組開鏈尺寸設(shè)計(jì)77-80
• 4.3.3 六桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)通用設(shè)計(jì)方法80-81
• 4.4 本章小結(jié)81-82
• 第五章 平面運(yùn)動(dòng)綜合人機(jī)交互軟件開發(fā)82-109
• 5.1 程序開發(fā)與界面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)82
• 5.2 主要功能模塊82-93
• 5.2.1 平面N位姿運(yùn)動(dòng)綜合基本算法(KMBA算法)模塊83-85
• 5.2.2 具有可拓展解空間的平面N位姿運(yùn)動(dòng)綜合模塊85-89
• 5.2.3 面向平面六桿機(jī)構(gòu)的5位姿精確運(yùn)動(dòng)綜合模塊89-93
• 5.3 GUI用戶交互界面的設(shè)計(jì)與開發(fā)93-97
• 5.3.1 用戶界面的基本思想與規(guī)劃93-96
• 5.3.2 交互軟件中運(yùn)動(dòng)仿真模塊設(shè)計(jì)開發(fā)96-97
• 5.3.3 GUI用戶交互的設(shè)計(jì)97
• 5.4 程序的詳細(xì)計(jì)算過程與表達(dá)式97-100
• 5.4.1 二元二次方程組的MATLAB實(shí)現(xiàn)97-98
• 5.4.2 基于SVD分解的數(shù)據(jù)擬合實(shí)現(xiàn)98-100
• 5.5 五位姿與N位姿運(yùn)動(dòng)綜合基本功能演示100-107
• 5.6 本章小結(jié)107-109
• 第六章 站立輔助康復(fù)設(shè)施機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)109-134
• 6.1 基于Kinematic-Mapping理論的站立輔助康復(fù)機(jī)構(gòu)通用設(shè)計(jì)方法109-111
• 6.2 站立過程人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的實(shí)驗(yàn)獲取方法111-113
• 6.3 肩部支撐站立輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例113-123
• 6.3.1 站立過程的肩部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)113-115
• 6.3.2 肩部支撐站立輔助機(jī)構(gòu)的構(gòu)型115-120
• 6.3.3 肩部支撐站立康復(fù)機(jī)構(gòu)模型的建立120-123
• 6.4 腰部支撐站立輔助康復(fù)輪椅設(shè)計(jì)實(shí)例123-133
• 6.4.1 站立過程腰部運(yùn)動(dòng)曲線124
• 6.4.2 站立過程腰部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)124-126
• 6.4.3 腰部支撐站立輔助機(jī)構(gòu)構(gòu)型126-129
• 6.4.4 站立輔助康復(fù)輪椅模型的建立129-133
• 6.5 本章小結(jié)133-134
• 第七章 總結(jié)與展望134-137
• 7.1 全文總結(jié)134-135
• 7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)135-136
• 7.3 進(jìn)一步工作展望136-137
• 參考文獻(xiàn)137-144
• 附部分計(jì)算程序144-150
• 攻讀博士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)活動(dòng)及成果情況150

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本文編號(hào)：558966