仿生踝关节康复系统工作空间研究及控制系统开发

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1、汇报人：*****指导老师：*****汇报时间：*****仿生踝关节康复系统工作空间研究及控制系统研发一、研究的背景及意义二、踝关节康复机器人的国内外研究现状三、研究的内容四、要解决的问题五、下一步的工作内容提纲（1）仿生学在机器人研究领域内的应用目的，是制造出可以代替人类从事恶劣、危险环境下工作的仿生机器人，在仿生机器人中，仿人机器人是近年来发展起来的一个多学科和技术相交叉结合的应用领域。实现仿人机器人的自然、动态行走是各国研究仿人机器人的重要研究领域之一，近年来受到了众多科学家和工程师的关注。仿人机器人的步行能力既受控制与传感系统影响，也依赖于其机械结构(自由度)的运动学特

2、征。虽然目前现有机器人能实现稳定行走，但其踝部关节在运动和结构、质量的总体优化方面还有一定的欠缺，比如，三自由度踝部关节质量过重，结构复杂，二自由度踝部关节运动不灵活。与实际人体踝部关节运动功能差距较大，拟人性不强。（2）伴随各种运动的产生，人类踝部关节不断承受各种各样的冲击，使得踝部关节成为运动损伤中最易受伤的关节之一。因此踝部关节的运动损伤和力学特性一直受到医学界的关注。一、研究的背景及意义康复医学工程领域内，通过对生理踝部关节的研究，开发仿人踝关节辅助康复装置，对于医学和康复医学工程有重要意义；可应用假肢踝关节，对服务残疾人事业也有重要的意义。也可用于仿人机器人的脚部机构

3、，对开发出运动灵活的探险、娱乐仿人机器人有重要意义；一、研究的背景及意义背背屈/跖屈、内翻/外翻、复合运动·2001美国新泽西大学研制的基于Stewart机构6-SPS二、踝关节康复机器人国内外研究现状其运动平台可以实现3维转动，同时还会带着脚掌和小腿进行移动。该控制系统是通过RS232总线与PC机进行的通信，PC机可以实时检测到动平台的位置和输出力的信息，还采用了虚拟现实技术来实现人机交互，患者可通过主机显示器上的三维虚拟图像来感知康复过程中关节的运动情况。二、踝关节康复机器人国内外研究现状·2010燕山大学边辉2-RRR/UPRR；按照数值算例中给定的机构参数，利用Matl

4、ab软件编程，在机构杆件不相互干涉的条件下，在第3分支中移动副的工作长度约束范围内，利用搜索法绘制出机构的工作空间3维立体图。二、踝关节康复机器人国内外研究现状·2013燕山大学边辉等提出了一种生物融合式踝关节康复机器人的设计二、踝关节康复机器人国内外研究现状22009段学习等提出了基于GALIL控制器的踝康复机器人控制系统二、踝关节康复机器人国内外研究现状22009张小俊等提出了一种踝关节康复机器人的控制系统设计，3-RSS/S踝关节康复并联机器人三、研究内容本课题研究的内容是基于如下所示的仿人踝关节辅助康复装置。其核心是应用球销副巧妙组合，它包括上平台、踝关节、下平台、背屈

5、/跖屈驱动装置、内翻/外翻驱动装置和控制系统。驱动装置分别由伺服电机，丝杠螺母副，弹簧等构成。模拟踝关节的三种运动模式1柔性可动架，3固定架，4上平台，5（a）背屈/跖屈驱动装置，5（b）内翻/外翻驱动装置，6下平台，7控制系统，8踝关节三、研究内容仿生踝关节辅助康复装置的工作空间研究装置的机构件图记驱动背屈/跖屈运动的电机为电机Ⅰ，驱动内翻/外翻运动的电机为电机Ⅱ，则在运动过程中，存在五种情况：（1）电机Ⅰ转动，电机Ⅱ不转动；（2）电机Ⅰ不转动，电机Ⅱ转动；（3）电机Ⅰ先转动，电机Ⅱ后转动；（4）电机Ⅱ先转动，电机Ⅰ后转动；（5）电机Ⅰ和电机Ⅱ同时转动。三、研究内容仿生踝关节

6、辅助康复装置的工作空间研究（1）电机Ⅰ驱动绕X轴转动了α角时可以得到一下各点坐标：利用杆长的条件，计算角度。三、研究内容仿生踝关节辅助康复装置的工作空间研究（1）只有电机Ⅰ驱动时，上平台绕X轴转动以角度为限定条件，来计算质心P的工作空间。背屈/跖屈时，电机Ⅰ运动，利用Matlab计算质心点工作空间三、研究内容仿生踝关节辅助康复装置的工作空间研究可以得到一下各点坐标：利用杆长的条件，计算角度。（2）电机Ⅱ驱动绕Y轴转动了β角时三、研究内容仿生踝关节辅助康复装置的工作空间研究（2）只有电机Ⅱ驱动时，上平台绕Y轴转动以角度为限定条件，来计算质心P的工作空间。内翻/外翻时，电机Ⅱ运动，

7、利用Matlab计算质心点工作空间。三、研究内容仿生踝关节辅助康复装置的工作空间研究（3）电机ⅠⅡ驱动时（1）先绕X轴转α角，再绕Y轴转β角（2）先绕Y轴转β角，再绕X轴转α角三、研究内容仿生踝关节辅助康复装置的工作空间研究以角度为限定条件，利用matlab软件绘制出质心P的运动轨迹。（3）电机ⅠⅡ驱动时三、研究内容仿生踝关节辅助康复装置的电机驱动力矩的研究在上平台施加2kg的载荷，得到电机轴驱动扭矩。用Recurdyn软件进行仿真此时，给定上平台的运动函数α=0.02π*t（rad），上平