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2-UPS/RRP调心式髋关节康复机构的运动学及性能分析

内容来源:《机械设计与制造工程》      浏览次数:99      更新时间:2020-10-28

 路,李瑞琴,刘荣帅,马世豪

(中北大学机械工程学院,山西 太原 030051)

基金项目:山西省重点研发计划项目(201803D421028, 201903D421051

作者简介:杨路(1992),男,硕士研究生,主要研究方向为并联机构学,976421259@qq.com.

通讯作者:李瑞琴,女,教授,liruiqin@nuc.edu.cn.


摘要:髋关节是人体重要的负重关节之一,其容易受损伤。为帮助髋关节患者早日康复并实现自由行走,提出一种2-UPS/RRP调心式髋关节康复机构。基于螺旋理论建立了机构的螺旋矩阵,采用位置矢量法求出机构的位置逆解。利用三维动态法将数据点导入MATLAB中,求出了机构的工作空间。利用ADAMS对机构进行前屈/后伸和内收/外展的康复仿真。结果表明:2-UPS/RRP调心式髋关节康复机构具有3个自由度,工作空间呈实心曲面状,机构前屈/后伸和内收/外展的角度分别可达58°/58°、19°/28°,可满足髋关节患者的需求。机构的调心功能保证了人机转动中心的一致性,使得康复过程更加安全。

 

关键词:2-UPS/RRP;并联机构;位置逆解;工作空间;髋关节康复

中图分类号:TH112   文献标识码:A   文章编号:2095-509X(2020)05-0026-05

并联机构具有承载力高、运动精度高和反解计算较容易等优点。将少自由度并联机构用于髋关节康复有利于简化结构、避免干涉、方便控制。刘芳芳利用螺旋理论对3-UPS/RRR并联脚踝康复机构进行了自由度的求解。李剑锋等使用解析法对一种髋关节助力机构进行了位置反解,并建立了速度雅克比矩阵。杨亚敬等利用仿生关节空间与机构工作空间的映射关系求解了3-RRR+(S-P)球面髋关节机构的位置正反解。马世豪等对2-SPR/RUPR并联机构进行了逆运动学和可达工作空间的求解。Wu等针对现有髋关节患者设计了一种下肢康复机构。陈荣将一种3-RRR+S仿生球面并联机构应用于人体髋关节。Wang等对一种新型3-PUU并联机构进行了优化设计。朱灿一研究了一种3-SPS并联仿生髋关节的动力学。贺鑫对3-UPU髋关节康复机构进行了动力学分析和康复仿真。Schreiber等提出一种2(RPR)-2(RPR)R并联机构并分析了其运动学性能。祖永芳基于模糊PID控制器对一种下肢康复机器人的运动学进行了分析,进而搭建了康复控制系统。

现有髋关节康复机构的研究已取得不少成果,但仍存在一些缺陷,例如:机构自由度不足或冗余、机构旋转中心与人体髋关节旋转中心不一致、机构过于复杂导致患者穿戴体验较差等。本文提出一种可调心的2-UPS/RRP并联康复机构,其可穿戴于不同体型的髋关节患者并能保证人机转动中心的一致性,使得康复过程更安全。

 

1 髋关节康复机构及调心原理

1.1 2-UPS/RRP髋关节康复机构构型

    如图1所示,2-UPS/RRP髋关节康复简化模型由静平台、2UPS支链(驱动支链UPS-I和驱......

 

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