基于Pro/E的脚踝康复机的建模及仿真研究

　　1引 言

　　随着科学技术和人们物质生活水平的提高，将康复医学与机器人学结合起来的康复机器人技术正逐渐成为国内外研究的热点[1]。脚踝康复机就是其中的一种，它可以模拟正常人的脚踝运动状态，帮助有脚踝运动障碍的病人进行康复训练。目前，临床使用的脚踝康复器械缺乏综合治疗的功能，而且驱动控制方式主要为气压驱动，不便于使用。因此，本文借鉴国内外康复机器人的优点，基于并联机构原理设计了一种新型的三自由度脚踝康复机。

　　2数学模型

　　2.1脚踝运动特征

　　踝关节由胫骨下端、腓骨下端和距骨组成。胫骨下端内侧的突出部分形成内踝，腓骨外侧的突出部分形成外踝，胫骨下端和内外踝构成一个方形的踝穴。距骨体紧密地嵌置于踝穴内，构成整个踝关节。胫骨和腓骨的端部与跗骨形成了具有3 个自由度的旋转关节，实现了脚部的侧翻、旋转和翘起[2]。踝关节的转动范围如表1所示。

　　2.2 机构运动形式

　　并联机构是指由动平台通过至少两个独立的运动链和定平台相连的闭环机构。机构具有两个或两个以上的运动自由度，以并联方式驱动，由于其具有刚度大，精度高，动平台可绕任何方向、位置的轴线运动等特性，因此比串联机器人更适用于脚踝康复训练[3]。其中，三自由度并联机构既不像具有确定性的单自由度机构运动，也不同于可以任意给定的六自由度机构运动，因此认为是最适宜脚踝康复机构的运动形式，其自由度组合类型如表 2 所示。

　　根据上述脚踝运动特征，为了更好地模拟脚踝的实际康复运动。本文选择的三自由度运动形式为一个移动和两个转动，即 1T-2R 结构，确切地说是 1T⊥2R 的运动形式，沿X、Y 轴的转动以及沿 Z 轴的移动。

　　2.3支链设计

　　并联机器人的支链是由各个基本运动副连接而成，为了实现机构1T -2R的运动形式，所设计的机构支链的空间布局如图1所示，其中R、P、S 分别表示转动副、移动副和球面副。

　　在不考虑可能存在的消极自由度、局部自由度和重复约束的情况下，根据空间闭链机构的自由度公式，并联机器人动平台的自由度 F 为[4]：

　　式中：d-并联机构的阶数，n 为并联机构的构件数，g 为并联机构的运动副数，fi为第 i 个运动副的相对自由度数。

　　由于该并联机构的阶数为5，构件数为 8，有 9 个运动副，共形成 13 个相对自由度。因此，带入上述自由度公式计算可得自由度为 3，证明该支链结构是可行的。当同时驱动这三个移动副P1、P5、和 P9时，动平台将会沿平行P1的方向运动;当只驱动P5和P9这两个移动副时，动平台会沿Y轴实现左右翻转的运动;同理驱动P1和P5可实现沿X轴的前后翻转。从而完成运动形式为1T-2R的三自由度脚踝康复运动。