踝关节运动辅助矫正机构的结构设计.pdf

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1、第3O卷第2期徐州工程学院学报(自然科学版)2015年6月Vo1．3ONo．2JournalofXuzhouInstituteofTechnology(NaturalSciencesEdition)Jun．2015踝关节运动辅助矫正机构的结构设计李高卫，梅瑛，尹姣姣(中北大学机械与动力工程学院，山西太原030051)摘要：文章以剖析人体下肢解剖学理论为依据，设计了一种基于空间并联机构原理的新型下肢踝关节运动矫正机构．按照正常人体下肢基本尺寸范围，对下肢运动矫正机构的结构进行数学建模并做了运动学仿真分析，验证了该并联机构可以有效辅助运动障碍者恢复健康．该机构结构简单、工作空间较大、刚度

2、大，可以适用不同群体．关键词：运动矫正机构；工作空间；位置正解；位置逆解中图分类号：TH112文献标志码：A文章编号：1674—358X(2015)02—0081—04中国已经进入老龄化社会，有肢体运动障碍的人也在增加，将机器人学应用于运动矫正医学领域已经被国内外专家学者所认同[1]．下肢运动障碍者不能正常行走的一个重要原因是肢体承重能力下降]，有的患者使用减重带悬吊减重，或利用跑步机带动下肢被动式运动_3]．临床应用效果不错的可调式运动矫正练习机器人，被专家学者普遍认可L4]．利用重心轨迹自动控制平衡掉人体一部分重力，也可以减轻患者行走过程中体质量带来的负担]．东北大学研发的异构双

3、腿行走机器人，可用于研究人腿与智能腿之间的协调问题．德国自由大学采用双曲柄摇杆机构研发的下肢运动矫正机构，结构简单，但对盆骨运动得不到有效控制]．虽然以上康复机构的研究成果给患者的运动矫正带来了良好效果，但仍然存在一些不足之处：功能单一，根本无法实现复杂运动；功能练习比较被动，工作空间相对较小，刚度不足等．为此，本文设计出了一种新机构，它一方面能做刚性练习，另一方面还能做柔性练习，从而使患者下肢能得到更有效的训练．1人体运动学基础设计下肢运动矫正机构，前提是要使其符合人体运动学的自然规律．人体行走分为单脚阶段支持、双脚阶段支持和有一脚处于冗余状态的双脚支持．经过如此的简化，在机械结构

4、设计上更能实现人体正常步态．人体下肢骨骼主要由趾骨、跗骨构架、腓骨、胫骨、髌骨和股骨等构成．下肢有7个自由度，3个枢纽关节，包括2个球副枢纽关节，1个扭转副枢纽关节．最为复杂的是踝关节，由腓骨、胫骨、跗骨构架等组成，胫骨和腓骨组成3自由度旋转的自由端，实现足部侧翻、翻转、旋转、倾斜和后弓的运动．2踝关节运动矫正机构的设计及运动学分析2．1并联机构构造与自由度分析2．1．1并联机构结构该并联机构由1个定平台，1个动平台，1个4曲柄滑块机构等构成，如图1所示．4个曲柄滑块机构均通过球铰与定平台相连．上支点A、A、A。、A与下支点D、D、D。、D均呈长方形布局，两个长方形相似．上支点AA=

5、L、AA。一L，下支点DD一L、DD。一L．建立坐标系原点0，X轴与L平行，y轴与L平行，Z轴与L平行，建立如图1所示坐标系．选取的静平台与动平台的相位相同．静支点A、A、A。、A在静坐标系中的坐标分别为：A1一(一Z]／2，l2／2，0)，收稿日期：2015-01—05基金项目：国家自然科学基金项目(51275486)作者简介：李高卫(1987一)，男，河北邯郸人，硕士研究生，主要从事机械机构及机器人设计与研究通讯作者：梅瑛(1964一)，女，山西太原人，教授，硕士生导师，主要从事机械设计与优化研究．·81·徐州工程学院学报(自然科学版)2015年第2期A2一(Zl／2，Z2／2，

6、0)，A3一(11／2，一Z2／2，O)，B‘A一(一Z1／2，一Z2／2，0)，O一(O，0，0)．B1动支点在()-一xyz坐标系中的坐标分别为D1=(一Z6／2，一Z7／2，一3sind1一Z4sin1一Z5)，D2一(Z6／2，Z7／2，一Z3sina2一Z4sin一Z5)，D3：(Z6／2，一l7／2，一Z3sina3一Z4sin一15)，D4一(一Z6／2，一Z7／2，一Z3sinOg4一Z4sin一Z5)．2．1．2并联机构自由度空间并联机构自由度计算公式为gF一6(k—g—1)+∑fi—F。，(1)图1踝关节康复机构原理图式中：F为自由度，F。为冗余自由度，_厂为第i

7、个运动副的自由度，g为运动副，k为活动构件．空间并联机构(图1)有13个活动构件，16个球面副，4个移动副，没有冗余自由度数．可计算出并联机构有4个自由度，动平台(D、D、D。、D)可实现绕x、y、z轴的旋转，可沿着z轴移动．2．2位置逆解分析4自由度并联机构动平台在空间的位置参数给定，求出4个曲柄滑块机构的输出角度，即求位置逆解．在图1中，A、D两点之间的间隔记为h，A、D两点之间的间隔记为，A。、D两点之问的间隔记为^。，A、D两点之间的间隔记为h．设