仿生踝关节康复系统工作空间研究及控制系统开发教材

1、 汇报人：汇报人：* * * * * * 指导老师：指导老师：* * * * * * 汇报时间：汇报时间：* * * * * *仿生踝关节康复系统工作空间研究及仿生踝关节康复系统工作空间研究及控制系统研发控制系统研发 一一、 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 内容提内容提 纲纲 （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、危险环境下工作的类从事恶劣、危险环境下工作的仿生机器人仿生机器人，在仿生机器人中，在仿生机器人中，仿人机仿人机器

2、人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力既受控制与传感系统影响，也依赖于其机械结构( (自由度自由度) )的运动学特的运动学特征。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虽然目前现有机器人能实现稳定行走

3、，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，、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。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，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，使得使得踝部关节成为运动损伤中最易受伤的关节之一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。因此踝部关节的运动损伤和力学特性一直受

4、到医学界的关注。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；，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。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，对开发出运动灵活的探险、娱乐仿人也可用于仿人机器人的脚部机构，对开发出运动灵活的探险、娱乐仿人机器人有重要意义；机器人有重要意义；一、研究的背景及意义一、研究的背景及意义背背背屈背屈

5、/跖屈、内翻跖屈、内翻/外翻、复合运动外翻、复合运动 2001 2001 美国新泽西大学研制的基于美国新泽西大学研制的基于StewartStewart机构机构6-SPS6-SPS 二、踝关节康复机器人国内外研究现状二、踝关节康复机器人国内外研究现状其运动平台可以实现其运动平台可以实现3 3维转动，同时还会带着脚掌和小腿进行移动。维转动，同时还会带着脚掌和小腿进行移动。该控制系统是通过该控制系统是通过RS232RS232总线与总线与PCPC机进行的通信，机进行的通信，PCPC机可以实时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检测到动平台的位置和输出力的信息，还采用了虚

6、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。过程中关节的运动情况。二二、踝关节康复机器人国内外研究现状、踝关节康复机器人国内外研究现状 2010 2010 燕山大学燕山大学 边辉边辉2-RRR/UPRR 2-RRR/UPRR ； 按照数值算例中给定的机构参数，利用按照数值算例中给定的机构参数，利用Matlab软件编程，软件编程，在机构杆件不相互干涉的条件下，在第在机构杆件不相互干涉的条件下，在第3分支中移动副的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工作长度约束范

7、围内，利用搜索法绘制出机构的工作空间3维立体图。维立体图。二二、踝关节康复机器人国内外研究现状、踝关节康复机器人国内外研究现状 2013 2013燕山大学燕山大学 边辉边辉等提出了一种生物等提出了一种生物融合式踝关节康复机器人的设计融合式踝关节康复机器人的设计 二二、踝关节康复机器人国内外研究现状、踝关节康复机器人国内外研究现状220092009段学习等提出了基于段学习等提出了基于GALILGALIL控制器的踝康复机器人控制系统控制器的踝康复机器人控制系统 二二、踝关节康复机器人国内外研究现状、踝关节康复机器人国内外研究现状220092009张小俊等提出了一种踝关节康复机器人的控制系统设计，张

8、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 3-RSS/S 踝关踝关节康复并联机器人节康复并联机器人 三、三、研究内容研究内容 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。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、，它包括上平台、踝关节、下平台、背屈背屈/ /跖屈驱动装置、内翻跖屈驱动装置、内翻/ /外翻驱动装置和控制系统。驱动装置分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别由伺服电机，丝杠螺母副，弹簧等构成。模拟

9、踝关节的三种运动模式模式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、三、研究内容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，驱动内翻/外翻运动的电机为电机，则在运动过程中，存在五种情况：（1）电机转动，电机不转动；（2）电机不转动，电机转动；（3）电机先转动，电机后转动；（4）电机先转动，电机后转动；（5）电机和电机同时转动。三、三、研究内容研究内容仿生踝关节辅助康复装置的工作空间研究（1）电机）电机驱动绕驱动绕X轴转动了轴转动了角时角时可以得到一下各点坐标：可以

10、得到一下各点坐标：利用杆长的条件，计算角度。利用杆长的条件，计算角度。三、三、研究内容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）只有电机驱动时，上平台驱动时，上平台绕绕X轴转动轴转动以角度为限定条件，来计算质心以角度为限定条件，来计算质心P的工作空间。的工作空间。背屈背屈/跖屈时，电机跖屈时，电机运动，运动，利用利用Matlab计算质心点工作计算质心点工作空间空间三、三、研究内容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：可以得到一下各点坐标：利用杆长的条件，计算角度。利用杆长的条件，计算角度。（2）电机）电机驱动绕驱动绕Y轴转动了轴转动了角时角时三、三

11、、研究内容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）只有电机驱动时，上平台驱动时，上平台绕绕Y轴转动轴转动以角度为限定条件，来计算质心以角度为限定条件，来计算质心P的工作空间。的工作空间。内翻内翻/外翻时，电机外翻时，电机运动，运动，利用利用Matlab计算质心点工作计算质心点工作空间。空间。三、三、研究内容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）电机驱动时驱动时（1）先绕）先绕X轴转轴转 角，再绕角，再绕Y轴转轴转 角角（2）先绕）先绕Y轴转轴转 角，再绕角，再绕X轴转轴转 角角三、三、研究内容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，以

12、角度为限定条件，利用利用matlab软件绘制出质心软件绘制出质心P的运动轨迹。的运动轨迹。（3）电机）电机驱动时驱动时三、三、研究内容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在上平台施加2kg的载荷，得到电机轴驱动扭矩。的载荷，得到电机轴驱动扭矩。用用Recurdyn软件进行仿真软件进行仿真此时，给定上平台的运动函数此时，给定上平台的运动函数=0.02*t（rad），上平台的运动角度按照前面工作），上平台的运动角度按照前面工作空间计算的角度进行仿真。空间计算的角度进行仿真。三、三、研究内容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（1）上平台施加上平台施加2kg的

13、载荷，采用均布加载时。的载荷，采用均布加载时。动平台向上运动时，电机驱动力矩动平台向上运动时，电机驱动力矩动平台向下运动时，电机驱动力矩动平台向下运动时，电机驱动力矩三、三、研究内容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（2）上平台施加上平台施加2kg的载荷，采用集中加载时。的载荷，采用集中加载时。动平台向上运动时，电机驱动力矩动平台向上运动时，电机驱动力矩动平台向下运动时，电机驱动力矩动平台向下运动时，电机驱动力矩三、三、研究内容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当上平台受到集中载荷时，电机启动时的驱动扭矩当上平台受到集中载荷时，电机启动时的驱动扭矩会产生明显的突

14、变；而受到均布荷载时，电机启动会产生明显的突变；而受到均布荷载时，电机启动时的驱动扭矩曲线则相对平缓；在运动时间结束时时的驱动扭矩曲线则相对平缓；在运动时间结束时的最大扭矩值相近。的最大扭矩值相近。分析结果，可以作为选择仿生踝关节辅助康复装置驱动分析结果，可以作为选择仿生踝关节辅助康复装置驱动电机和减速机的的重要依据，也可以对仿生踝关节辅助电机和减速机的的重要依据，也可以对仿生踝关节辅助康复装置结构进行优化设计。康复装置结构进行优化设计。存在的问题：存在的问题：1、上平台的载荷过低。、上平台的载荷过低。2、在本次仿真时用的电机驱动函数，当上平、在本次仿真时用的电机驱动函数，当上平台受到集中载荷

15、时有冲击，下一步将采用正弦台受到集中载荷时有冲击，下一步将采用正弦函数等进行驱动。函数等进行驱动。四、四、要解决的问题要解决的问题康复装置的结构设计与优化康复装置的结构设计与优化 在踝关节辅助康复装置机构的构型设计研究的基础上，完成结构设计及参在踝关节辅助康复装置机构的构型设计研究的基础上，完成结构设计及参数选型。并进一步的研究新构型。（原有的设计，上平台承载力过小）数选型。并进一步的研究新构型。（原有的设计，上平台承载力过小） 康复装置的控制系统的研发康复装置的控制系统的研发 研究装置的控制系统，实现踝关节的随动、两个电机的单独运动以及复合运研究装置的控制系统，实现踝关节的随动、两个电机的单独运动以及复合运动。动。五、下一步的工作五、下一步的工作1.对已有的踝关节辅助康复装置结构进行优化，重新建立三