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1、燕山大学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：3sps-ps并联踝关节运动康复机器人设计学院（系）里仁学院年级专业：08机电3班学生姓名：张丽璇指导教师：边辉完成日期： 2012年3月15日课题研究背景踝关节扭伤是骨科临床常见的运动伤，其发生率在下肢损伤中居第二 位。人足在人体站立和行走时承担着身体全部的重量，特别是奔跑、跳跃和 身体负重的时候，踝关节承受了巨大的载荷和冲击，致使踝关节扭伤在日常 生活中较为常见，特别是进行要求不断改变方向，急起急停的球类等技术复 杂运动时,表现的尤为突出。据统计，92%的篮球运动员曾有过踝关节扭伤， 83%曾损伤 2 次以上；专业运动员 73%曾有过 2 次以
2、上的踝关节韧带损伤， 59%残留有各种后遗症。踝关节扭伤后，如果治疗不及时或不彻底，容易导 致踝关节韧带过度松弛，关节不稳，易引起反复扭伤，造成踝关节功能障碍 等后遗症，严重的将影响行走功能。踝关节扭伤的治疗除了及时采取冷敷和 药物治疗外，还需要在关节肿胀消退、疼痛减轻后，积极地进行康复训练， 从而加速关节组织的愈合，增强踝关节周围韧带肌肉力量，提高踝关节的柔 韧性、稳定性及协调性。但直接通过行走等简单康复运动，很容易发生二次 扭伤，造成踝关节的习惯性损伤。按摩是促进踝关节康复的重要手段，但医 师与患者间“一对一”治疗过程十分繁重。随着机电一体化技术的发展，踝 关节康复机器人已成为现代康复工程
3、研究的热点，其不仅可以减轻医生的劳 动强度，且可以定量评估患者康复状况，并通过有规律的、适度的康复运动， 使踝关节能够快速彻底康复。二、国内外现状和研究成果目前国内外正在试验研究或已投放市场的踝关节康复机器人产品形式 多样，各具特色，都在一定程度上取得了较好的康复效果。国内外先后出现 了多种踝关节运动康复机器人，其中较为简单的有单自由度转动踝关节康复 机器人，其结构简单，能实现一维转动，带动踝关节进行背屈 /跖屈运动。 还有串联两个转动副，实现了空间两轴转动，能够带动踝关节进行背屈 /跖 屈和外展/内收运动，但串联结构第二级转动驱动器不能相对基座固定安装， 增大了康复器运动部分的惯量。为了克服
4、这一缺点，出现了 RR/RRR 并联 机构方案，实现了空间两轴转动和驱动器的固定安装。以上三种机构虽然结 构简单，但是其自由度不足：只能实现绕一个或两个轴的转动，不能实现绕 踝关节中心点的三维复合转动。为了实现踝关节 3 个自由度的康复训练，还 可以应用 3-SPS/S、3-PSS/S、4-SPS/S 等并联机构开发踝关节康复机器人， 这些机构满足了踝关节进行复合康复训练对自由度的要求且其驱动电机可 固定安装，但机构运动平台围绕中间约束分支的球面副转动，而不是围绕踝 关节中心转动，这就使踝关节在康复运动过程中随着机构转动的同时必伴有 移动，此时小腿就得随动，如果小腿协调得不到位，轻则达不到运动
5、角度影 响康复进度，重则导致踝关节二次损伤。美国新泽西大学成功地研制了基于 Stewart 机构具有 6 个自由度的并联踝关节康复机器人，其运动平台可以实 现 3 维转动，同时还会带动脚掌和小腿进行移动，结合虚拟现实系统可以使 患者模拟进行多种情景下的康复训练。以下是几种比较复杂的机械结构:1) 3-RSSS 踝关节康复机构该机构并联机构采用4个分支结构。其中，中间分支为被动约束分支， 连接基座与运动平台，下端固定基座上，上端通过球铰与动平台相连结。用 来提高踝关节康复机器人的支撑刚度，并约束掉与踝关节运动不相关的3个 移动自由度。其余3个分支沿圆周逆时针对称分布，每一个分支有两个连杆 组成，
6、短连杆下端通过减速器与电机轴相连，形成回转副，上端通过球副与 长连杆下端相连结， 长连杆的上端通过球副与动平台相连结，这样，每个 分支都具有6个自由度。3个步进电机对称分布在基座上，电机轴径的方向沿 半径方向向外。夹持器固定在动平台上，用来固定患者的脚。在训练时，患 者的下肢处在放松的状态，动平台则按照目标轨迹以恒定的速度运动。与串联的机构相比，该并联机构具有刚度大、运动精度高、惯性小、载 荷分布均匀等特点，而且结构简单，设计、制造和控制成本相对较低，特别 是具有完全相同分支，结构对称具有各向同性。2) 4-UP(Pe)S/PS 踝关节康复机构基于生物融合式康复机构的概念，将包含踝关节的人体膝
7、关节以下肢体 作为康复机构的约束分支，增加四个对机构无约束的机械分支构成生物融合 式踝关节康复并联机构。该并联机构中，人体分支位于机构的中心，踝关节 两端的小腿和脚掌分别和定平台和动平台固连，由于关节囊的存在，踝关节 在牵引力的作用下会沿小腿方向发生微量移动，故将人体分支等效为由一个 移动副和球面副组成的 PS 分支；分别由万向铰、移动副、弹簧移动副和球 面副组成的、结构相同的4条机械分支UP(Pe)S对称布置于人体分支的四周， 两端分别连接与动平台和定平台上。人体和机械共同构成 4-UP(Pe)S/PS 生 物融合式踝关节并联康复机构。该生物融合式踝关节康复机构直接人体踝关节的复杂结构引入机
8、构中 来，空间上将人体至于机构体内部，实现了动平台带动脚掌围绕踝关节中心 进行转动的同时使得对踝关节施加牵引力成为可能。在踝关节康复中后期， 踝关节将具有一定的主动活动能力，弹簧移动副还可以使人体在保证安全的 前提下参与到康复轨迹的实时规划中，灵活控制康复进度。该康复机构充分 发挥了人体在康复过程中的主动性，设计更加人性化。3) 2-RRR/UPRR 踝关节康复机构2-RRR/UPRR 并联踝关节康复机构是利用少自由度并联机器人型综合的 约束螺旋理论提出的一种具有远程转动中心、可实现三维转动的机构。该机 构由定平台、运动平台和连接定平台和运动平台的 3 个运动分支组成。 2-RRR/UPRR
9、机构为具有远程转动中心的特殊球面机构，与一般的转动中心 在机构内部的全对称球面机构相比，该机构保证踝关节中心在康复过程中始 终与机构转动中心相重合，且机构不对踝关节产生作用力， UPRR 分支使机 构在进行踝关节的主康复运动（背伸/跖屈）时机构不出现奇异位形且输出 和输入部分解耦，容易实现实时控制。由于具有固定的远程转动中心， 2-RRR/UPRR 机构可保证当脚掌被固定在机构运动平台后踝关节中心始终与 机构转动中心相重合且空间位置保持不变,踝关节位置不变，则小腿可以被 固定。从而可在脚掌和小腿间施加可控的牵引力来提高踝关节的康复效果， 这是那些机构转动中心与踝关节中心不能重合的踝关节康复机构
10、所难以实 现的。三、研究步骤、方法及措施1. 查阅文献资料，从文献资料中了解一些关于直并联工业机器人的基本知 识，分析结构放案，并确定合理的结构方案。2. 初步设计(1) 机械结构的选择 方案一：三个分支均布，驱动电机安装位于靠近移动平台的一端，使伸出杆 与底座平台相连。方案二：三个分支均布，驱动电机安装于靠近底座平台的一端，使伸出杆与 上端移动平台相连。经过比较考虑，方案一的结构运动惯性大，加速度小，电机负载要求大 运动不够灵活，所以采用方案二的结构，(2) 电动机的选择步进电机与伺服电机的选择。伺服电机在封闭的环里面使用，随时在把 信号传给系统，同时把系统给出的信号来修正自己的运转，精度高
11、，价格贵。 步进电机是在开环里面运转的，它只是接收驱动器发出的电脉冲信号来运 转，不能把自己的运动情况传给系统，精度相对较低，价格便宜。综合考虑，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机 ，但是伺服 电机价格贵，闭环控制系统调试难度比开环控制系统大，所以在此选择步进 电机作为其驱动电机。(3) 移动副的选择滚珠丝杠与液压缸的选择。液压传动的各种元件，可以根据需要方便、 灵活地来布置；操纵控制方便，可实现大范围的无级调速；可自动实现过载 保护；采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。液 压传动的缺点是：流体流动的阻力和泄露较大，使液压缸效率较低；液压油 容易泄露；工作性能易受到
12、温度变化的影响；液压元件的制造精度要求较高， 因而价格较贵；由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动 比。滚珠丝杠：传动效率高；灵敏度高；定位精度高；使用寿命长；使用、 润滑和维修方便、可靠；可逆向传动，不自锁。综上所述，选择滚珠丝杠作为移动副传动机构。3. 分析多种结构放案，确定合理的结构方案。初步设计 3sps-ps 结构草图。4. 分析和计算动平台运动自由度，确定期望的运动自由度。利用 Grubler 公式 F=6 （l-n-1） +Efi （i=l、2g）F=6（10-12-1） + 25F=式中l为连杆数，包括基座。n为关节数，fi为第i个关节的自由度数。5. 按照给定的
13、设计要求确定各零部件的尺寸形状，进行相关的设计计算以 及校核。6设计分支电器驱动装置，满足工作空间、灵活性、性价比和载荷的要求 并进行滚珠丝杠副的选择及检验、步进电机的选用和滚动轴承的选用。7.用solidworks软件对3sps-ps并联踝关节运动康复机器人方案进行机械结构设计，利用仿真模拟机构的运动特性以及生成工程图纸。总的设计思路是，先初步了解3 驱动 3sps-ps 并联机器人；然后通过查 找资料和老师的辅导对其有进一步的了解，设计机械结构，拟定和校核各零 件的结构及尺寸，选取滚珠丝杠、轴承以及步进电机设计其控制电路； 进行运动仿真及绘制运动参数曲线。四、进度计划1-3周理解课题、搜集
14、资料、制作PPT4周完成文献综述、开题报告、准备节点考核5-9周确定3spsps并联踝关节运动康复机器人结构方案，计算结构 参数，完成结构设计草图10周制作中期汇报PPT，准备中期考核11-13 周进行3sps-ps并联踝关节运动康复机器人三维实体设计，造型， 仿真模拟14-15 周设计控制电路系统，进行计算机模拟16-17 周撰写论文，翻译外文资料；制作PPT，准备答辩五、主要参考文献1 边辉，刘艳辉，梁志成，赵铁石. 并联 2-RRR/UPRR 踝关节康复机构及 其运动学.2007，17(4)：23262 边辉，赵铁石，田行斌，李丹，潘旺. 生物融合式康复机构及其应用. 2009，19(3
15、)：9113 赵铁石，于海波，戴建生. 一种基于 3-RSSS 并联结构的踝关节康复 机器人. 燕山大学校报， 2005，29(6)：274 姚太顺，孟宪杰踝关节外科北京：中国中医药出版社，19985 赵桂林踝关节跖屈、背屈运动的研究中外健康文摘(医药月刊)，2007， 4(2)：11-126 Deutsch，J，Latonio J，Burdea G PostStroke Rehabilitation with the Rutgers Ankle SystemA case Study7 Girone，M J,Burdea G，Bouzit MOthopedic Rehabilitation U
16、sing the“Rutgers Ankle”InterfaceProc of Medicine Meets Virtual Reality 2000IOS Press，2000：89958 Boian R F，Deutsch J E Haptic Effects for Virtual Realitybased PostStroke RehabilitationProceedings of the Eleventh Symposium on Haptic Interfaces for Virutal Environment and Teleoperation Systems，Los Angeles,CA,2003:247-253
