针对脑卒中患者的踝关节康复及训练,提出一种具有3R1T运动性能的脚踝康复机构。运用螺旋理论分析自由度,利用封闭矢量法求解位置逆解,运用Adams对混联机构进行了运动学分析;并计算了该机构在背伸、趾屈运动时最大转动角度误差值。结果表明,在限位装置的限制下,该机构可在踝关节安全运动范围之内完成患者所需康复运动及竖直方向的关节牵引运动。

为了保证踝关节康复训练的效果和安全性,设计了一种基于3-UPRU/S并联构型的踝关节康复机构及其脚部固定与快放组件,并对其运动性能与训练规划进行了研究。考虑到踝关节生理回转中心与机构转动中心不重合的影响,应用Adams软件建立了康复机构的脚踝虚拟模型,并利用角速度规划的方法对S型与T型角速度曲线进行优化,得到了一种更优的训练规划;通过逆运动学仿真,得到机构各促动器的位移数据,并使用样条拟合确定了各促动器的驱动函数;通过原理样机试验,进行了实际工作角度与训练规划的验证。结果表明,优化后该康复机构1个周期内增加了约12%的匀速训练时间,并减少了约47%的角速度波动;该训练规划能够提高踝关节康复的效果以及安全性。

为克服踝部被动式假肢的一些弊端,提出了一种适用于踝部关节假肢的主动式设计。通过对人体步态行进过程进行采集与分析,得到相关曲线;运用MATLAB对曲线进行解析,得到相关曲线函数f(x);同时设计一种主动式的机械结构,并基于ADAMS分析其运动,得出相关曲线函数g(x);通过验证f(x)与g(x)的误差,来验证设计的合理性与实用性。

本文据踝关节的运动规律、结构特点以及对踝关节康复训练方法的研究,针对传统踝关节康复训练方式简单、治疗效果不明显、训练周期较长等问题,构想出一种踝关节康复机器人结构。该装置主要采用液压系统,使脚板前后左右形成高度差,并采用滑道定轨的设计理念,使脚踝达到合理的运动范围,能够满足患者踝关节康复治疗的要求。首先对踝关节运动规律进行分析,设计踝关节康复机器人结构,确保满足踝关节康复训练要求的基本功能,并验证了设计方案的可行性。

对人体下肢运动模型的研究是外骨骼机器人驱动和控制系统的核心内容之一,针对利用分段函数拟合踝关节运动模型时存在拟合过程复杂、模型高阶求导之后不连续等缺点,采用傅里叶级数拟合法建立踝关节在矢状面内平地行走运动模型,通过该方法获得的踝关节运动模型具有简洁、准确、无冲击等特点,而且该运动模型还具有高阶连续性和可导性。最后,通过实验验证该模型可以描述健康人体平地常速行走时踝关节运动特征;同时通过ADAMAS进行运动仿真,验证其用于外骨骼机器人的踝关节驱动的正确性。该运动模型研究为研究健康人体正常行走时踝关节运动特征提供了重要的理论依据,并为外骨骼机器人踝关节的驱动和控制提供了参考模型。

根据人体踝关节的运动生理特点和并联机构的特点,以单开链为单元,基于方位特征集理论,对三转动并联机构进行了型综合;结合踝关节的特点,优选出了一种能辅助实现人体踝关节运动的三转动并联机构,并对其进行了运动学分析。基于建立的逆解方程,利用Matlab进行数据求解,最后将所得数据作为驱动函数在Adams中对机构进行仿真分析,仿真结果验证了该并联机构的应用可行性,同时为后续的机构尺寸优化设计提供了理论基础。

通过分析人体踝关节的结构特性,并针对现有踝关节康复机构的现状,提出一种3-UPS/S并联康复机构,该机构具有3自由度转动功能,可以分别完成踝关节的背伸/趾屈、内翻/外翻、内旋/外旋3种模式的训练。运用螺旋理论对其进行了自由度分析,采用D-H法建立了机构位置反解方程,利用Matlab编程计算出了位置反解理论值,并利用ADAMS进行了位置反解仿真分析,验证了D-H法位置反解的正确性。

基于人体关节运动机理和可重构理念,提出一种P(2-RPS)&U可重构康复机构,通过锁定运动副,改变动平台的运动方式,可以分别实现对人体肘关节、膝关节和踝关节的康复训练。分析了P(2-RPS)&U可重构康复机构的位置逆解,并基于螺旋理论分析了该机构的位置奇异性,得到机构的两个奇异位置,通过添加驱动的方式避免了奇异位置的发生。使用Adams软件对P(2-RPS)&U可重构康复机构进行运动学仿真,仿真结果表明,该机构能够较好地达到人体肘关节、膝关节和踝关节康复运动的范围,满足受损关节的康复需求。