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踝关节既是负重关节,又是人体与地面接触的枢纽。踝关节损伤是一种常见骨关节损伤,如果得不到良好的康复治疗,会留下各种后遗症,影响人们的生活质量。目前,用于踝关节康复的产品多为功能单一的器械,使用不当易造成踝关节的再次损伤。国内外已经开展了利用机器人技术对踝关节损伤康复治疗的研究。本文开展的研究工作主要有以下几个方面: 首先,对踝关节的解剖结构、损伤机理和运动形式进行了深入的探讨和研究,提出了踝关节康复机器人的基本要求。分析了典型的并联机构,提出了一种新颖的3-RSS/S并联机构,用于踝关节康复训练。讨论了踝关节损伤的种类及治疗方法,给出了踝关节康复训练的定义和踝关节康复训练的四种训练模式的定义。 提出了用于踝关节康复训练的四种模式的康复机理,把康复训练分为了三阶段,详细地讨论了典型的踝关节损伤进行康复训练的时机以及康复训练的原则。 其次,对3-RSS/S并联机构做了运动学分析。运用空间模型理论绘制了速度各向同性的性能图谱,并做了详细的分析,讨论了各机构参数对机构性能的影响,提出了机构参数的取值范围。用数值搜索法得到了3-RSS/S并联机构的姿态工作空间的三维图,探讨了机构参数对工作空间的影响。 利用虚拟样机技术完成了3-RSS/S并联机构的结构设计和实体建模,利用UG仿真完成了球铰安装位的设计,充分地提高了机构的工作空间。利用ADAMS对实体模型进行了运动学、动力学和工作空间的仿真分析,验证了3-RSS/S机构设计的正确性和合理性。 另外,提出了3-RSS/S踝关节康复机器人被动和助力训练模式的运动轨迹规划的算法,并对轨迹算法进行了验证,在踝关节运动极限范围内,末端执行器远离了机构奇异形位,机构运动平稳。该算法可根据不同的踝关节损伤个体,设置α,β,γ的极限值,控制相应的角速度,即可简捷地生成末端执行器的有针对性的运动轨迹,为规划各种踩关节损伤类型的运动轨迹提供了简便的方法,为模式控制奠定了理论基础。 同时,根据踝关节的康复目标和踝关节康复的机器人系统应具有的功能,论述了康复训练模式设计应注意的问题,并完成训练模式的设定与设计。 最后,对3-RSS/S踝关节康复机器人的康复策略进行了研究,采用神经网络较好地解决了主动、抗阻训练模式的机构运动学正解问题,实现了康复训练的实时控制。试验表明,3-RSS/S踝关节康复机器人能够满足康复运动和康复训练模式的需要。