【摘 要】
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踝关节是人体下肢关节中较易损伤的部位,根据其结构特点,创新性的将3-SPS/S并联机构应用到踝关节康复训练中,同时融合多种训练模式,开发出了一种三自由度并联式踝关节康复机器人,在对踝关节康复机器人运动学、工作空间分析的基础上进行了控制系统的设计与仿真,并通过实验平台进行了验证。本课题的主要研究内容如下:首先阐述了本课题的研究背景和意义,调查并总结了踝关节康复机器人在国内外的研究现状,同时分析了少自
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踝关节是人体下肢关节中较易损伤的部位,根据其结构特点,创新性的将3-SPS/S并联机构应用到踝关节康复训练中,同时融合多种训练模式,开发出了一种三自由度并联式踝关节康复机器人,在对踝关节康复机器人运动学、工作空间分析的基础上进行了控制系统的设计与仿真,并通过实验平台进行了验证。本课题的主要研究内容如下:首先阐述了本课题的研究背景和意义,调查并总结了踝关节康复机器人在国内外的研究现状,同时分析了少自由度并联机构的发展情况。结合临床医学、解剖医学、康复医学相关知识对踝关节进行康复运动建模,在此基础上分析踝关节康复机构的设计原则,提出3-SPS/S并联机构设计方案,并应用螺旋理论对机构的自由度进行分析验证。其次通过对3-SPS/S并联机构进行运动学分析,推导位置反解和位置正解方程,依据雅克比矩阵对踝关节康复机构进行相关的速度、加速度以及奇异位形分析,为后续的仿真和控制策略研究奠定基础。另外分析影响3-SPS/S踝关节并联康复机器人工作空间的因素,指出影响其工作空间的约束条件,并通过MATLAB仿真得到踝关节康复机器人姿态工作空间,验证其运动范围。然后根据3-SPS/S并联机构的运动学反解方程,提出了基于铰链空间的PID、模糊PID控制策略,通过SolidWorks与SimMechanics联合仿真的方法建立3-SPS/S踝关节并联康复机器人PID控制及模糊PID控制系统模型,并证明了基于铰链空间的模糊PID控制算法在3-SPS/S踝关节并联康复机器人整机控制上具有较优的控制效果。最后搭建了 3-SPS/S踝关节并联康复机器人系统硬件结构,编写上位机界面、下位机控制程序,利用本文提出的基于铰链空间的模糊PID控制算法通过3-SPS/S踝关节并联康复机器人实验平台进行了基本功能实验及分析。实验结果表明,本文所提出的基于铰链空间的模糊PID控制算法对3-SPS/S踝关节并联康复机器人的轨迹控制、运动跟踪均具有良好的控制效果,且3-SPS/S踝关节康复机器人能够达到踝关节康复训练的要求。
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