隨著社會醫(yī)療水平和人們生活水平的不斷提高,醫(yī)療機(jī)器人正在逐步取代康復(fù)醫(yī)師進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。目前的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人雖可實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的基本運(yùn)動(dòng),但機(jī)構(gòu)的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心大多數(shù)是固定且不可調(diào)的,因此需對踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究。本文結(jié)合人體踝關(guān)節(jié)的肌骨特征,設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)動(dòng)中心可調(diào)的3-CRS-S踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機(jī)構(gòu),研究了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)并進(jìn)行了仿真分析,驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的康復(fù)性能。首先,根據(jù)踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性及肌骨特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種適合踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。利用螺旋理論及G-K公式分別對3-CRS-S并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行了研究。其次,由于3-CRS-S踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)中包含閉環(huán)鏈,因此利用閉環(huán)鏈?zhǔn)噶糠ǖ玫搅?-CRS-S并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置反解方程,應(yīng)用螺旋建模理論,求得了3-CRS-S并聯(lián)機(jī)構(gòu)的速度雅可比矩陣,借助SolidWorks和MATLAB軟件,通過極限搜索法分析了機(jī)構(gòu)的工作空間,利用拆桿法研究了3-CRS-S并聯(lián)機(jī)構(gòu)的靜力學(xué),并利用SolidWorks軟件完成有限元仿真,為機(jī)構(gòu)的優(yōu)化給予數(shù)據(jù)支持。然后,借助Adams與SolidWorks軟件聯(lián)合創(chuàng)建了3-CRS-S并聯(lián)機(jī)構(gòu),通過Adams軟件的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿... 

【文章來源】： 王勇軍 中北大學(xué)

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

踝關(guān)節(jié)康復(fù)裝置

中北大學(xué)學(xué)位論文3圖1-1踝關(guān)節(jié)康復(fù)裝置圖1-2踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練裝置Fig.1-1AnklerehabilitationdeviceFig.1-2AnklerehabilitationtrainingdeviceJamwal等提出了一種利用氣動(dòng)肌肉執(zhí)行機(jī)構(gòu)（PMA）作為驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)三維轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)。文中制定了一套針對性的自調(diào)節(jié)主動(dòng)控制方案，該方案的主要對象是神經(jīng)功能紊亂患者，主要依據(jù)是患者的傷殘等級和康復(fù)效果。該踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)是一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過病患者的主動(dòng)積極參與提供系統(tǒng)性的輔助治療，使提出的自適應(yīng)控制方法適應(yīng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的阻抗。同時(shí)以中風(fēng)患者為代表，對控制器的性能參數(shù)進(jìn)行了測試[10]。Erdogan等設(shè)計(jì)了一種外骨骼機(jī)構(gòu)AssistOn-Ankle，主要針對踝關(guān)節(jié)受損患者，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)是將3-RPU和3-UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)通過串聯(lián)方式連接在一起，機(jī)構(gòu)的可重構(gòu)思想不僅滿足此要求，而且可根據(jù)實(shí)際需求對機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行重組。踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)通過使用Bowden的串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的遠(yuǎn)程放置，從而滿足兼具緊湊及低慣量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)該并聯(lián)機(jī)構(gòu)還有其特有的控制方法[11]。Simnofske等設(shè)計(jì)了一種適用于踝關(guān)節(jié)的主動(dòng)康復(fù)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)有三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，工作方式與球副相同，如圖1-3所示。該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路較新穎，分析了機(jī)構(gòu)的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題及工作空間，進(jìn)一步研究了踝關(guān)節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過運(yùn)動(dòng)仿真分析比較了相類似的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，此外還對ASPM機(jī)構(gòu)進(jìn)行了測試，實(shí)現(xiàn)了對踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制[12][13]。Latifah等分析了3-RPS并聯(lián)機(jī)器人基于約束、優(yōu)化的可重構(gòu)方法，如圖1-4所示。機(jī)構(gòu)有兩種運(yùn)動(dòng)模式，可完成踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。提出的一種新性能指標(biāo)-MICD（最大內(nèi)接圓半徑），用于評估末端執(zhí)行器在不同轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的MICD范圍圖，通過研究機(jī)構(gòu)在兩種不同模式下的MICD范圍圖，提出了一種可重構(gòu)方案，主要針對?

中北大學(xué)學(xué)位論文4圖1-3主動(dòng)康復(fù)機(jī)構(gòu)圖1-4踝關(guān)節(jié)康復(fù)裝置Fig.1-3ActiverehabilitationmechanismFig.1-4AnklerehabilitationdeviceJamwal等通過闡述踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)況，提出了一種踝關(guān)節(jié)康復(fù)裝置，分析了各個(gè)部件的選擇，提出了人機(jī)交互的復(fù)雜性，通過模糊邏輯控制裝置來控制機(jī)器人幫助踝關(guān)節(jié)做康復(fù)訓(xùn)練，同時(shí)增加了人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，改善了傳統(tǒng)枯燥乏味的康復(fù)訓(xùn)練模式；最后還借助軟件將患者、康復(fù)機(jī)器人和康復(fù)醫(yī)師形成一個(gè)緊密聯(lián)系的整體，使患者在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)能得到及時(shí)有效的康復(fù)數(shù)據(jù)，極大地提高了康復(fù)效果[15]。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)的專家學(xué)者在早期對踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)就已經(jīng)展開了研究。燕山大學(xué)的趙鐵石教授等通過分析人體踝關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)及康復(fù)原理，得到一種3-RSS/S并聯(lián)康復(fù)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)包含4條支鏈、一個(gè)固定底座和一個(gè)上平臺，中間支鏈為主要約束鏈，將上平臺和底座相連；剩余的3條支鏈沿圓周逆方向?qū)ΨQ布置，將腳放于上平臺，當(dāng)機(jī)構(gòu)按照預(yù)設(shè)的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，踝關(guān)節(jié)隨著機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練[16]。哈爾濱工程大學(xué)的俞志偉等基于肌肉組織的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)原理，提出一種雙足協(xié)調(diào)式康復(fù)機(jī)構(gòu)，如圖1-5所示，機(jī)構(gòu)主要包含6個(gè)構(gòu)件，機(jī)構(gòu)通過2個(gè)導(dǎo)桿和2個(gè)連桿將腿部和足部相連，將導(dǎo)桿作為動(dòng)力源，連桿在驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)下完成踝關(guān)節(jié)前后、左右翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人在低功率驅(qū)動(dòng)器控制下，不僅可滿足踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)要求，也有效減少康復(fù)機(jī)器人的體積、整體重量等[17]。燕山大學(xué)的邊輝等綜合分析了踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)存在的各種問題，提出了2-RRR/UPRR踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，與現(xiàn)有的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)相比，最大的區(qū)別在于它的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心并不在機(jī)構(gòu)的內(nèi)部，而在機(jī)構(gòu)外部的某一點(diǎn)處，保證踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心與機(jī)構(gòu)的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心相一致，同時(shí)也避免機(jī)構(gòu)?

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：2964684