新型绳驱动混联肘腕康复机器人的运动学研究.pdf

简介：
本文针对新型绳驱动混联肘腕康复机器人进行运动学分析，探索其结构特点及工作原理，并提出相应的建模与控制方法。 新型绳驱动混联肘腕康复机器人是为解决现有上肢康复机器人惯性冲击大、柔顺性和舒适性差等问题而设计的。本段落通过运动学分析来获得该机器人的正反解，并提出了基于D-H（Denavit-Hartenberg）方法的位置正反解计算和验证。 D-H方法是一种在机器人学中用于描述关节轴线与连杆之间关系的方法，它利用四个参数（即连杆长度、扭角、偏移及关节角）来表示相邻两杆之间的联系，并构建出机器人的数学模型。对于混联机构而言，这种方法有助于分析串联和并联结构的组合形式，并简化计算过程。 新型康复机器人由绳驱动的腕部并联部分与肘关节康复单元组成。研究中将腕部并联机制等效为2SPSUD配置，“2SPS”表示两个球面（spherical）并联机构，每个包含一个移动副和两组球形连接件；“UD”则代表虎克铰。 在本段落中，作者把腕部并联单元视作与肘关节康复装置串联的组合，并将整个混联系统等效为单一串连结构。这种设计结合了并联机构的优点（如运动冲击小、惯性低、连续性和稳定性高）以及串连机制的特点（即构造简洁和控制简便）。在实际应用中，这样的混联布局有利于提高康复训练的精确度与效率。 该机器人的传动系统采用了线管钢丝绳驱动方式。这种方式能够减少刚性部件可能造成的冲击，并且机构旋转中心与关节旋转点重合，从而有效防止患者在接受康复治疗时受到二次伤害。 尽管并联机制在运动控制方面表现优异，在实际应用中主要集中在工业领域（例如飞行器模拟器和空间机器人），但在医疗康复领域的使用相对较少。本段落提出的新型绳驱动混联设计将并联机构的优势引入肘腕关节康复，填补了该研究方向上的空白。 此外，作者还提出了针对混合连杆系统运动学正反解的计算与验证方法。其中，正向解是根据各关节变量来确定机器人末端执行器的位置和姿态；而逆向则是基于终端执行器位置及姿态求取相应的关节值。准确地解决这些问题是实现机器人操作控制和路径规划的关键。 新型绳驱动混联肘腕康复机器人的设计结合了串连与并联机构的优势，通过使用绳索传动方式避免惯性冲击，并提高了整体的柔顺性和舒适度水平。同时，借助D-H方法对运动学正反解进行计算验证，则确保了该设备在医疗领域的应用具备高精度特性。