【摘 要】
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齿轮-连杆机构可以实现各种复杂的运动轨迹。由于非圆齿轮-连杆机构相比于圆齿轮-连杆机构实现的运动轨迹更多样化,且能实现变传动比运动,本文以非圆齿轮-五杆机构为研究对象,首先对它的运动轨迹特性与设计参数关系进行研究;其次针对位姿约束下其实现特定运动轨迹这类问题,提出了基于运动学映射理论的非圆齿轮-五杆机构刚体导引方法;然后利用MATLAB软件编写了非圆齿轮-五杆机构的计算机辅助设计软件;最后设计了一
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齿轮-连杆机构可以实现各种复杂的运动轨迹。由于非圆齿轮-连杆机构相比于圆齿轮-连杆机构实现的运动轨迹更多样化,且能实现变传动比运动,本文以非圆齿轮-五杆机构为研究对象,首先对它的运动轨迹特性与设计参数关系进行研究;其次针对位姿约束下其实现特定运动轨迹这类问题,提出了基于运动学映射理论的非圆齿轮-五杆机构刚体导引方法;然后利用MATLAB软件编写了非圆齿轮-五杆机构的计算机辅助设计软件;最后设计了一种外骨骼式非圆齿轮-五杆机构膝关节康复装置。本文主要研究内容和结果如下:1)分析了五种非圆齿轮节曲线的一般表达式;以高阶变性椭圆齿轮-五杆机构为例,探讨了六个主要参数对其运动轨迹的影响,其中影响最大的是齿轮阶数,最小的是齿轮变性系数。2)具体应用非圆齿轮-五杆机构时,除了要求生成特定的运动轨迹,还可能需要精确通过几个目标位姿。针对此类运动综合问题,本文基于运动学映射理论,提出了非圆齿轮-五杆机构刚体导引方法。将非圆齿轮-五杆机构看成2R杆组和3R杆组加上一对非圆齿轮组成;在目标轨迹上提取四个关键位姿,通过运动学映射理论求得2R杆组、3R杆组的圆点、圆心点曲线;进一步建立双曲柄五杆机构杆长约束条件,得到可行解区域;在可行解区域内,采用B样条曲线拟合非圆齿轮副转角关系,获得非圆齿轮节曲线,最终完成非圆齿轮-五杆机构设计。3)基于以上两部分理论开发了高阶变性椭圆齿轮设计软件,实现混合阶数变性椭圆齿轮设计;开发了基于运动学映射理论的非圆齿轮-五杆机构刚体导引设计软件,解决非圆齿轮-五杆机构平面四位姿运动综合的设计问题。4)通过对康复训练要求及康复装置机理的研究,设计了一种基于非圆齿轮-五杆机构的外骨骼膝关节康复装置,满足膝关节的轨迹及姿态要求。以实现人体原地运动膝关节运动轨迹为导向,综合考虑人体各部位尺寸等实际约束条件,运用前面编写的非圆齿轮-五杆机构综合设计软件,得到了能满足膝关节运动要求的机构基本参数;对膝关节康复装置进行结构设计,建立了装置的三维模型,并完成了虚拟仿真试验;通过研制装置样机、开展人体穿戴试验,验证了理论研究的正确性和结构设计的合理性。
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