【摘 要】
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踝关节作为人体与地面的运动结合点以及重要的承重关节,其损伤也是临床上最常见的外科损伤之一。踝关节损伤的传统康复疗治方式对于患者踝关节的康复情况不能进行客观地评价,且该方式需要康复医师对患者进行单一的康复疗治,康复疗治效率低。现有踝关节康复机器人的旋转中心与人体踝关节运动中心偏差较大、机构的等效模型与人体踝关节骨骼结构不一致,影响康复疗治效果。本文基于人体踝关节骨骼结构和运动形式,将人体踝关节等效为
【基金项目】
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国家自然科学基金（52075145）；
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踝关节作为人体与地面的运动结合点以及重要的承重关节,其损伤也是临床上最常见的外科损伤之一。踝关节损伤的传统康复疗治方式对于患者踝关节的康复情况不能进行客观地评价,且该方式需要康复医师对患者进行单一的康复疗治,康复疗治效率低。现有踝关节康复机器人的旋转中心与人体踝关节运动中心偏差较大、机构的等效模型与人体踝关节骨骼结构不一致,影响康复疗治效果。本文基于人体踝关节骨骼结构和运动形式,将人体踝关节等效为UR串联模型,并提出一种广义球面并联式踝关节康复机器人,同时对其运动学性能进行分析与优化,主要研究内容如下。首先,根据人体踝关节骨骼结构和运动形式,将人体踝关节等效为UR串联模型,在该等效模型的基础上,构型出一种三自由度2-UPU/[RR][RRR]/PRPS广义球面并联式踝关节康复机器人,并结合螺旋理论对踝关节康复机器人的自由度进行分析,表明该机器人满足人体踝关节的自由度要求。其次,对2-UPU/[RR][RRR]/PRPS踝关节康复机器人的运动学进行分析。以RPY角描述动平台的姿态,采用解析法建立踝关节康复机器人的运动学逆解模型。利用边界搜索法求解踝关节康复机器人的工作空间,将其与人体踝关节活动范围进行对比,表明该机器人满足踝关节康复活动范围需求。运用螺旋理论建立踝关节康复机器人的完整雅可比矩阵,并根据完整雅可比矩阵行列式的情况分析该机器人的奇异位形。然后,对2-UPU/[RR][RRR]/PRPS踝关节康复机器人运动/力传递性能进行分析优化。计算踝关节康复机器人在各位形下的局部运动/力传递性能指标,并绘制性能图谱。以优质传递工作空间占比大于0.5为优化目标,采用空间模型法对踝关节康复机器人的尺度参数进行优化。优化后踝关节康复机器人的优质传递工作空间占比达到0.59,表明该机器人在康复运动范围内具有良好的运动学性能。最后,对2-UPU/[RR][RRR]/PRPS踝关节康复机器人进行康复运动轨迹规划。基于人体踝关节韧带组织结构,分析踝关节主要的损伤形式,进而采用等长康复训练方式对踝关节最易损伤的韧带进行康复运动轨迹规划。同时基于运动学逆解模型得到康复运动轨迹所对应的驱动器位移函数,并利用ADAMS软件进行仿真验证。本文对2-UPU/[RR][RRR]/PRPS踝关节康复机器人进行构型设计、运动学分析、运动/力传递性能分析与优化以及康复运动轨迹规划,为后续样机实验奠定了理论基础。
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