基于3-rrs球面并联机构脚踝康复机器人的设计与研究

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2、____非密_______注1UDC____________________________________________________________________硕士学位论文基于3-RRS球面并联机构脚踝康复机器人的设计与研究李大海指导教师（姓名、职称）________________宋胜涛副教授__________________________申请学位级别________工学硕士____________________专业名称______________________________

3、_机械设计及理论__________________________论文提交日期__2016__年____05__月___25___日论文答辩日期__2016__年___05__月___25___日学位授予日期________年______月______日论文评阅人____姚峰林辛志杰_____________________________________________________答辩委员会主席_________权龙______________2016年5月25日注1：注明《国际十进分类法U

4、DC》的分类基于3-RRS球面并联机构脚踝康复机器人的设计与研究摘要球面并联机构（SPM）作为并联机构的一种特殊类型，具有工作空间大、各个部件之间不容易发生干涉的特点。SPM现广泛应用于机器人的肩、腕、腰、髋关节以及超精密加工、航天、测绘等领域。3-RRSSPM相对于3-RRRSPM来说，解除了3-RRRSPM的过约束，有更好的运动性能，而且能够实现三自由度的转动。本文主要研究3-RRS球面并联机构的运动学及其在脚踝康复机器人中的应用。本文利用螺旋理论对3-RRSSPM的自由度进行了分析计算；利用牛

5、顿迭代法求解了机构的运动学正解；应用闭环矢量法建立了3-RRSSPM的运动学逆解模型，求解了该机构相应的运动学逆解算式，得到了3-RRSSPM的8组逆解；对3-RRSSPM进行了实例分析，验证了3-RRSSPM运动学分析的正确性。在3-RRSSPM运动学位置分析的基础上，利用求导法求解了3-RRSSPM速度、Jacobian矩阵和加速度；利用Jacobian矩阵讨论了机构的奇异性；利用数值搜索法求解了机构的可达工作空间，并利用MATLAB编程绘制了机构的在不同结构参数情况下的可达工作空间图。本文采用

6、拆杆法，建立了3-RRSSPM各个构件的静力学平衡方程，对3-RRSSPM进行了静力学分析。本文针对人体踝关节的结构组成，踝关节的运行规律以及踝关节康复的机理。在综合3-RRSSPM的性能以及脚踝康复治疗对机构所需要求的情况下，对3-RRS球面脚踝康复机器人的具体结构和尺寸参数进行设计。然后，利用SolidWorks与ANSYSworkbench相结合的方法来对3-RRS球面脚踝康复机器人进行了静力学有限元分析，通过对机器人的静力学有限元分析，找到了3-RRS球面脚踝康复机器人整体结构设计中的薄弱地

7、方。最后，利用SolidWorks与ADAMS软件来对3-RRS球面脚踝康复机构进行了仿真研究。通过运动学正解和逆解仿真得到的3-RRS球面脚踝康复机器人脚架上的参考点q的运行轨迹、位移变化规律、速度变化规律以及加速度变化规律都一致，而且都随着时间按照正/余弦曲线的规律均匀变化，没有出现速度和加速度突变。所以在实际使用的过程中，不会造成脚踝的二次损伤；而且机器人能够在空间中沿着复杂的球面“阿基米德螺旋轨迹”运动，带动脚踝同时实现了背屈/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋的运动，证明了该脚踝康复机器人可以用

8、于脚踝辅助康复训练。关键词：3-RRS球面并联机构，运动学，运动学性能，静力学，脚踝康复机器人，仿真DesignandStudyofAnkleRehabilitationRobotBasedon3-RRSSphericalParallelMechanismABSTRACTSphericalparallelmechanism(SPMforshort)asaspecialtypeofparallelmechanism,hasthecharacteristicsoflarg