踝关节作为人体最复杂的关节之一,其易受损伤及康复周期长的特性致使踝关节康复需求急剧增加,目前各类应用型的踝关节康复机器人层出不穷。在踝关节康复机器人的设计中,机构本体的研制是实现康复需求的关键一环,深入挖掘研究具有实际应用价值。本文基于人体踝关节结构特性及运动方式,结合解剖学理论及相关生物医学知识,从踝关节运动拟合模型出发,采用一种广义球面并联机构作为康复机器人机构本体,对其进行分析与优化设计,主要研究内容如下。首先,基于人体解剖学分析了踝关节解剖结构及其运动特性,总结现有踝关节机构学模型以RR型和S型两种运动拟合模型为主,进而提出了一种UU型运动拟合模型作为踝关节运动的本体模型,依此构型出一种四自由度广义球面并联机构作为康复机器人机构本体,并结合螺旋理论对机构自由度特性进行分析,验证其康复运动模式与踝关节运动拟合模型的匹配性。其次,对广义球面并联机构进行运动学分析。采用球坐标及欧拉角的方法对机构位姿变换进行了描述,以封闭矢量法为基础建立了机构的位置逆解方程,并分析得到机构位姿解耦关系。求解了机构的运动学速度雅可比矩阵,并应用螺旋系相关性分析机构在不同分支构型下的自由度变异特性。然后,采用极限搜索法求解机构在不同构型下的动球心及动平台工作空间。借助Any Body人体仿真软件采集拟合出人体踝关节实际运动空间,建立以实际运动空间与并联机构工作空间拟合度最优的目标优化函数,并以机构主要杆件的角度参数为设计变量,以仿生参数及机构的运动干涉为约束条件,通过MATLAB遗传算法工具箱进行机构参数优化。同时,以有效工作空间比对优化后的工作空间进行量化,结果表明优化后工作空间满足实际康复运动空间的需求。最后,对广义球面并联机构进行误差分析。应用环路增量法建立了机构的位姿误差模型,通过精度分析,绘制误差分布规律图并给出合理的误差选取方案,从理论上提高机构动球心及动平台的输出精度;同时进行灵敏度分析,对比列举出影响机构位姿误差较大的误差源,为样机加工研制提供理论指导。本文对并联式踝关节康复机器人机构进行了运动学分析、工作空间优化及误差分析,为后续样机制作及控制系统的设计奠定了理论基础。