新型绳驱动并联踝关节康复机构设计及分析

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1、学校代码：密级：公开硕士学位论文新型绳驱动并联踝关节康复机构设计及分析作者姓名禹润田学科专业机械设计及理论指导教师方跃法教授培养院系机械与电子控制工程学院硕士学位论文新型绳驱动并联踝关节康复机构设计及分析作者：禹润田导师：方跃法北京交通大学年月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复

2、印件和磁盘。学校可以为存在馆际合作关系的兄弟髙校用户提供文献传递服务和交换服务。保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：命力；必导师签名：签字日期：年月以日签字日期：災在年月以日学校代码：密级：公幵北京交通大学硕士学位论文新型绳驱动并联踝关节康复机构设计及分析作者姓名：禹润田学号：导师姓名：方跃法职称：教授学位类别：工科学位级别：硕士学科专业：机械设计及理论研究方向：机器人机构学北京交通大学年月致谢本论文的工作是在我的导师方跃法教授的悉心指导下完成的，从论文的选题到最终完成，以及期间小论文的一

3、次次修改、投稿到最终录用，方老师都给予了我细心的指导和不懈的支持。在方老师的教导和帮助下使我掌握了研究的基本方法也明白很多为人处事的基本道理。同时方老师严谨的治学态度和一丝不苟的工作作风给了我极大的影响。在此衷心的感谢三年来方老师对我的关心和指导。攻读硕士学位期间，郭盛教授不仅从大小论文修改及撰写等方面给与了我精心的指导和鼓励，使我受益匪浅，而且在学习生活中给予我关怀，在我遇到困惑的时候给我答疑解惑，使我能够顺利完成硕士阶段的学习科研任务，对郭老师三年来的关心照顾和教导在此表示衷心的感谢。课题研究过程中，项目

4、组博士生汪丛哲师兄给予了我很大的帮助，与师兄一起研究康复机器人的日子在我的人生成长阶段中是一笔宝贵的财富，汪师兄严谨认真的科研态度和孜孜不倦的求学精神给我树立了一个榜样，在此表示衷心的感谢。在机器人研究所这个大家庭进行学习、科研及撰写论文期间，得到了实验室的各位师兄、师弟们的关心和帮助，在此感谢曲海波、陈亚琼、叶伟、周昌春、陈志鸿、田春旭、黄冠宇等各位博士师兄师弟和王泽伟、梁艺翰、孙振瑶、龚俊、王楠等各位硕士同学在生活中和毕业论文撰写过程中给我的帮助和支持。同时感谢北交大、北航、北理工图书馆外文资料馆的老师们

5、，在课题研究过程中及论文撰写期间对我查阅外文资料提供的帮助，在此表示感谢。此外要感谢我的父母、弟弟和亲戚朋友们，是你们的理解和支持使我能够专心完成硕士期间的学业。最后，衷心的感谢在百忙之中评阅本论文的各位专家。摘要摘要本文基于人体踝关节运动的特点，提出一种适用于脚踝康复的新型三自由度绳驱动并联机构。由于新型等效球面副和动平台的设计，机构的转动中心可以很容易地和踝关节的转动中心相重合，较目前存在的踝关节康复机器人，这是一个很大的优点。本研究首次系统地将绳驱动并联机构应用于踝关节康复领域，拓展了绳驱动技术的应用范

6、围。主要研究内容如下：首先，结合解剖学、临床医学及康复医学等相关知识，分析了脚踝的运动功能、损伤和康复训练。提出了新型绳驱动踝关节康复机构设计的基本原则，从原理上完成了机构设计，在机构原理设计的基础上，完成了机构的整体结构设计，并分别介绍了各部分的具体结构设计，对所设计的绳驱动踝关节康复机构进行了自由度分析，初步验证了其运动性能。然后，对绳驱动踝关节康复机构的运动学进行了分析，主要包括：采用封闭矢量法建立了机构位置反解模型；推导了机构运动学速度和加速度反解；利用参数法和迭代法分别建立了机构位置正解的解析解和数

7、值解模型；根据实例计算验证了运动学正反解模型的正确性，并绘制了机构动平台绕定轴转动时四根驱动绳索长度、速度、加速度的变化曲线，为后续的分析奠定了理论基础。接着对绳驱动踝关节康复机构进行了静力学分析，分别求解了机构的力可控和力可调工作空间，通过绘制了两种工作空间的范围图。对机构驱动绳索张力的分配原则及张力分配算法进行了分析及优化。针对所设计的绳驱动踝关节康复机构冗余度为的特点，重新定义了驱动绳索张力的最低解、最高解和最优解，并通过仿真研究证明了张力分配算法的正确性。利用牛顿欧拉法建立了机构动平台、驱动器及整个系

8、统的动力学模型。对机构的灵巧性和奇异性进行了分析评价，从刚度的基本定义出发，推导了机构的刚度矩阵，进行了相应的刚度数值计算，给出了机构刚度矩阵的评价指标。最后，对绳驱动踝关节康复机构进行了虚拟样机建模，利用软件进行了相应的机构运动学仿真研究，完成了机构的康复运动轨迹规划与仿真，仿真结果进一步验证了绳驱动踝关节康复机构的运动能力，达到了本设计的要求。关键词：踝关节康复；绳驱动并联机构；运动学；绳索张力