3-RPS/R并联踝关节康复机构的运动性能与轨迹规划研究

作     者：姚志鹏 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周春国;王建国

授予年度：2021年

学科分类：1002[医学-临床医学] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 100215[医学-康复医学与理疗学] 10[医学] 

主      题：踝关节康复 并联机构 闭环矢量法 运动性能 轨迹规划 

摘      要：本文在研究人体踝关节生理结构,以及现阶段踝关节康复需求与国家相关政策导向的基础上,提出了一种用于踝关节康复的新型3-RPS/R并联式空间机构,并对其运动性能与运动路径进行了研究。首先,依据相关医学知识对踝关节的组成结构、运动方式和运动范围进行了分析,提出了一种具有4个自由度且结构实用的有源并联机构,通过修正K-G公式和螺旋理论,验证了该机构与踝关节运动方式一致,表明了机构设计的可行性并建立了虚拟样机模型。其次,建立并联踝关节康复机构的数学模型并进行运动学分析。求解了机构动平台位置逆解和正解,进行对比验证。依据闭环矢量法,求解了各运动支链中移动副的位移、速度和加速度随时间的变化规律,得到了移动副的行程,结果表明该机构易于控制。再次,选用离散数值搜索法在MATLAB中绘制机构动平台的工作空间,显示机构运动范围满足踝关节康复的使用要求。通过速度雅可比矩阵计算机构的可操作度,结果表明机构具有良好的运动性能,无奇异位型且远离奇异位型区域,验证了机构运动的可操作性。最后,运用ADAMS对三维模型进行了运动学仿真和轨迹规划研究,选取动平台特征点进行了运动路径的展示。通过对比踝关节内翻/外翻和牵伸运动在S型、T型和修正T型运动规律下动平台的位移、速度和加速度曲线,得出了修正T型运动规律更具合理性,能够更好地满足患者的康复需求。本文通过理论分析与仿真相结合的方法,提出并验证了 3-RPS/R并联踝关节康复机构的可行性与合理性,为踝关节康复问题提供了新的解决方案,具有较好的理论意义和应用价值。