1、 匯報人：匯報人：* * * * * * 指導老師：指導老師：* * * * * * 匯報時間：匯報時間：* * * * * *仿生踝關節康復系統工作空間研究及仿生踝關節康復系統工作空間研究及控制系統研發控制系統研發 一一、 研究的背景及意義 二、 踝關節康復機器人的國內外研究現狀 三、 研究的內容 四、 要解決的問題 五、 下一步的工作 內容提內容提 綱綱 （1）仿生學在機器人研究領域內的應用目的，是制造出可以代替人仿生學在機器人研究領域內的應用目的，是制造出可以代替人類從事惡劣、危險環境下工作的類從事惡劣、危險環境下工作的仿生機器人仿生機器人，在仿生機器人中，在仿生機器人中，仿人機仿人機器

2、人器人是近年來發展起來的一個多學科和技術相交叉結合的應用領域。實是近年來發展起來的一個多學科和技術相交叉結合的應用領域。實現仿人機器人的自然、動態行走是各國研究仿人機器人的重要研究領域現仿人機器人的自然、動態行走是各國研究仿人機器人的重要研究領域之一，近年來受到了眾多科學家和工程師的關注。仿人機器人的步行能之一，近年來受到了眾多科學家和工程師的關注。仿人機器人的步行能力既受控制與傳感系統影響，也依賴于其機械結構力既受控制與傳感系統影響，也依賴于其機械結構( (自由度自由度) )的運動學特的運動學特征。征。雖然目前現有機器人能實現穩定行走，但其踝部關節在運動和結構雖然目前現有機器人能實現穩定行走

3、，但其踝部關節在運動和結構、質量的總體優化方面還有一定的欠缺，、質量的總體優化方面還有一定的欠缺，比如，三自由度踝部關節質量比如，三自由度踝部關節質量過重，結構復雜，二自由度踝部關節運動不靈活。與實際人體踝部關節過重，結構復雜，二自由度踝部關節運動不靈活。與實際人體踝部關節運動功能差距較大，擬人性不強。運動功能差距較大，擬人性不強。 （2）伴隨各種運動的產生，人類踝部關節不斷承受各種各樣的沖擊，伴隨各種運動的產生，人類踝部關節不斷承受各種各樣的沖擊，使得使得踝部關節成為運動損傷中最易受傷的關節之一踝部關節成為運動損傷中最易受傷的關節之一。因此踝部關節的運。因此踝部關節的運動損傷和力學特性一直受

4、到醫學界的關注。動損傷和力學特性一直受到醫學界的關注。一、研究的背景及意義一、研究的背景及意義康復醫學工程領域內，通過對生理踝部關節的研究，開發康復醫學工程領域內，通過對生理踝部關節的研究，開發仿人踝關節輔助康復裝置，對于醫學和康復醫學工程有重要意義；，對于醫學和康復醫學工程有重要意義；可應用假肢踝關節，對服務殘疾人事業也有重要的意義。可應用假肢踝關節，對服務殘疾人事業也有重要的意義。也可用于仿人機器人的腳部機構，對開發出運動靈活的探險、娛樂仿人也可用于仿人機器人的腳部機構，對開發出運動靈活的探險、娛樂仿人機器人有重要意義；機器人有重要意義；一、研究的背景及意義一、研究的背景及意義背背背屈背屈

5、/跖屈、內翻跖屈、內翻/外翻、復合運動外翻、復合運動 2001 2001 美國新澤西大學研制的基于美國新澤西大學研制的基于StewartStewart機構機構6-SPS6-SPS 二、踝關節康復機器人國內外研究現狀二、踝關節康復機器人國內外研究現狀其運動平臺可以實現其運動平臺可以實現3 3維轉動，同時還會帶著腳掌和小腿進行移動。維轉動，同時還會帶著腳掌和小腿進行移動。該控制系統是通過該控制系統是通過RS232RS232總線與總線與PCPC機進行的通信，機進行的通信，PCPC機可以實時機可以實時檢測到動平臺的位置和輸出力的信息，還采用了虛擬現實技術來實檢測到動平臺的位置和輸出力的信息，還采用了虛

6、擬現實技術來實現人機交互，患者可通過主機顯示器上的三維虛擬圖像來感知康復現人機交互，患者可通過主機顯示器上的三維虛擬圖像來感知康復過程中關節的運動情況。過程中關節的運動情況。二二、踝關節康復機器人國內外研究現狀、踝關節康復機器人國內外研究現狀 2010 2010 燕山大學燕山大學 邊輝邊輝2-RRR/UPRR 2-RRR/UPRR ； 按照數值算例中給定的機構參數，利用按照數值算例中給定的機構參數，利用Matlab軟件編程，軟件編程，在機構桿件不相互干涉的條件下，在第在機構桿件不相互干涉的條件下，在第3分支中移動副的分支中移動副的工作長度約束范圍內，利用搜索法繪制出機構的工作空間工作長度約束范

7、圍內，利用搜索法繪制出機構的工作空間3維立體圖。維立體圖。二二、踝關節康復機器人國內外研究現狀、踝關節康復機器人國內外研究現狀 2013 2013燕山大學燕山大學 邊輝邊輝等提出了一種生物等提出了一種生物融合式踝關節康復機器人的設計融合式踝關節康復機器人的設計 二二、踝關節康復機器人國內外研究現狀、踝關節康復機器人國內外研究現狀220092009段學習等提出了基于段學習等提出了基于GALILGALIL控制器的踝康復機器人控制系統控制器的踝康復機器人控制系統 二二、踝關節康復機器人國內外研究現狀、踝關節康復機器人國內外研究現狀220092009張小俊等提出了一種踝關節康復機器人的控制系統設計，張

8、小俊等提出了一種踝關節康復機器人的控制系統設計，3-RSS/S 3-RSS/S 踝關踝關節康復并聯機器人節康復并聯機器人 三、三、研究內容研究內容 本課題研究的內容是基于如下所示的仿人踝關節輔助康復裝置。本課題研究的內容是基于如下所示的仿人踝關節輔助康復裝置。其核心是應用球銷副巧妙組合其核心是應用球銷副巧妙組合，它包括上平臺、踝關節、下平臺、，它包括上平臺、踝關節、下平臺、背屈背屈/ /跖屈驅動裝置、內翻跖屈驅動裝置、內翻/ /外翻驅動裝置和控制系統。驅動裝置分外翻驅動裝置和控制系統。驅動裝置分別由伺服電機，絲杠螺母副，彈簧等構成。模擬踝關節的三種運動別由伺服電機，絲杠螺母副，彈簧等構成。模擬

9、踝關節的三種運動模式模式1柔性可動架，3固定架，4上平臺， 5（a）背屈/跖屈驅動裝置，5（b）內翻/外翻驅動裝置，6下平臺，7控制系統，8踝關節三、三、研究內容研究內容仿生踝關節輔助康復裝置的工作空間研究 裝置的機構件圖記驅動背屈/跖屈運動的電機為電機，驅動內翻/外翻運動的電機為電機，則在運動過程中，存在五種情況：（1）電機轉動，電機不轉動；（2）電機不轉動，電機轉動；（3）電機先轉動，電機后轉動；（4）電機先轉動，電機后轉動；（5）電機和電機同時轉動。三、三、研究內容研究內容仿生踝關節輔助康復裝置的工作空間研究（1）電機）電機驅動繞驅動繞X軸轉動了軸轉動了角時角時可以得到一下各點坐標：可以

10、得到一下各點坐標：利用桿長的條件，計算角度。利用桿長的條件，計算角度。三、三、研究內容研究內容仿生踝關節輔助康復裝置的工作空間研究（1）只有電機）只有電機驅動時，上平臺驅動時，上平臺繞繞X軸轉動軸轉動以角度為限定條件，來計算質心以角度為限定條件，來計算質心P的工作空間。的工作空間。背屈背屈/跖屈時，電機跖屈時，電機運動，運動，利用利用Matlab計算質心點工作計算質心點工作空間空間三、三、研究內容研究內容仿生踝關節輔助康復裝置的工作空間研究可以得到一下各點坐標：可以得到一下各點坐標：利用桿長的條件，計算角度。利用桿長的條件，計算角度。（2）電機）電機驅動繞驅動繞Y軸轉動了軸轉動了角時角時三、三

11、、研究內容研究內容仿生踝關節輔助康復裝置的工作空間研究（2）只有電機）只有電機驅動時，上平臺驅動時，上平臺繞繞Y軸轉動軸轉動以角度為限定條件，來計算質心以角度為限定條件，來計算質心P的工作空間。的工作空間。內翻內翻/外翻時，電機外翻時，電機運動，運動，利用利用Matlab計算質心點工作計算質心點工作空間。空間。三、三、研究內容研究內容仿生踝關節輔助康復裝置的工作空間研究（3）電機）電機驅動時驅動時（1）先繞）先繞X軸轉軸轉 角，再繞角，再繞Y軸轉軸轉 角角（2）先繞）先繞Y軸轉軸轉 角，再繞角，再繞X軸轉軸轉 角角三、三、研究內容研究內容仿生踝關節輔助康復裝置的工作空間研究以角度為限定條件，以

12、角度為限定條件，利用利用matlab軟件繪制出質心軟件繪制出質心P的運動軌跡。的運動軌跡。（3）電機）電機驅動時驅動時三、三、研究內容研究內容仿生踝關節輔助康復裝置的電機驅動力矩的研究在上平臺施加在上平臺施加2kg的載荷，得到電機軸驅動扭矩。的載荷，得到電機軸驅動扭矩。用用Recurdyn軟件進行仿真軟件進行仿真此時，給定上平臺的運動函數此時，給定上平臺的運動函數=0.02*t（rad），上平臺的運動角度按照前面工作），上平臺的運動角度按照前面工作空間計算的角度進行仿真。空間計算的角度進行仿真。三、三、研究內容研究內容仿生踝關節輔助康復裝置的電機驅動力矩的研究（1）上平臺施加上平臺施加2kg的

13、載荷，采用均布加載時。的載荷，采用均布加載時。動平臺向上運動時，電機驅動力矩動平臺向上運動時，電機驅動力矩動平臺向下運動時，電機驅動力矩動平臺向下運動時，電機驅動力矩三、三、研究內容研究內容仿生踝關節輔助康復裝置的電機驅動力矩的研究（2）上平臺施加上平臺施加2kg的載荷，采用集中加載時。的載荷，采用集中加載時。動平臺向上運動時，電機驅動力矩動平臺向上運動時，電機驅動力矩動平臺向下運動時，電機驅動力矩動平臺向下運動時，電機驅動力矩三、三、研究內容研究內容仿生踝關節輔助康復裝置的電機驅動力矩的研究當上平臺受到集中載荷時，電機啟動時的驅動扭矩當上平臺受到集中載荷時，電機啟動時的驅動扭矩會產生明顯的突

14、變；而受到均布荷載時，電機啟動會產生明顯的突變；而受到均布荷載時，電機啟動時的驅動扭矩曲線則相對平緩；在運動時間結束時時的驅動扭矩曲線則相對平緩；在運動時間結束時的最大扭矩值相近。的最大扭矩值相近。分析結果，可以作為選擇仿生踝關節輔助康復裝置驅動分析結果，可以作為選擇仿生踝關節輔助康復裝置驅動電機和減速機的的重要依據，也可以對仿生踝關節輔助電機和減速機的的重要依據，也可以對仿生踝關節輔助康復裝置結構進行優化設計。康復裝置結構進行優化設計。存在的問題：存在的問題：1、上平臺的載荷過低。、上平臺的載荷過低。2、在本次仿真時用的電機驅動函數，當上平、在本次仿真時用的電機驅動函數，當上平臺受到集中載荷

15、時有沖擊，下一步將采用正弦臺受到集中載荷時有沖擊，下一步將采用正弦函數等進行驅動。函數等進行驅動。四、四、要解決的問題要解決的問題康復裝置的結構設計與優化康復裝置的結構設計與優化 在踝關節輔助康復裝置機構的構型設計研究的基礎上，完成結構設計及參在踝關節輔助康復裝置機構的構型設計研究的基礎上，完成結構設計及參數選型。并進一步的研究新構型。（原有的設計，上平臺承載力過小）數選型。并進一步的研究新構型。（原有的設計，上平臺承載力過小） 康復裝置的控制系統的研發康復裝置的控制系統的研發 研究裝置的控制系統，實現踝關節的隨動、兩個電機的單獨運動以及復合運研究裝置的控制系統，實現踝關節的隨動、兩個電機的單獨運動以及復合運動。動。五、下一步的工作五、下一步的工作1.對已有的踝關節輔助康復裝置結構進行優化，重新建立三