新型绳驱动混联肘腕康复机器人的运动学研究.pdf

简介：
本文档探讨了一种创新性的绳驱动混联肘腕康复机器人系统的运动学原理。通过深入分析该机器人的结构特点和工作模式，文档提供了详细的数学模型与实验验证，旨在提升此类设备的精确度和效率，为上肢康复治疗提供新的技术路径。 新型绳驱动混联肘腕康复机器人旨在解决现有上肢康复机器人的惯性冲击大、柔顺性和舒适性差等问题。本段落通过运动学分析，探讨其正反解，并采用D-H（Denavit-Hartenberg）方法进行位置的计算和验证。 D-H方法是一种在机器人学中描述关节轴线与连杆之间关系的技术手段，它利用四参数（即连杆长度、扭角、偏移及关节角），简化相邻两杆之间的数学模型。对于混联机构而言，这种方法有助于分析串联结构和并联机制的组合，并且能够优化计算流程。 该新型康复机器人由绳驱动腕部并联机构与肘关节康复装置构成。研究中将腕部并联部分等同于2SPSUD形式，其中“2SPS”标识两个球面（Spherical）并联结构，每个都包含一个移动副和两组球面副，“UD”则代表虎克铰。 文章作者简化了腕部并联机构为虎克铰与肘关节康复装置的串联组合，并最终将整个混联系统视为单一串联机制。这种设计使机器人兼具运动冲击小、惯性低等并联结构的优点，同时保持了串联系统的简洁性和易控特性，在实际应用中有助于提升康复训练的质量和效率。 该机器人的传动部分采用线管钢丝绳驱动方式，可以减少刚性杆件造成的惯性冲击，并且确保机构旋转中心与关节旋转点一致，从而在康复过程中避免对患者造成二次伤害。 尽管并联机制在运动控制方面表现出色，在实际应用中多见于工业领域如飞行器模拟或空间机器人等，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架构将并联机构的优势引入肘腕关节康复，填补了该领域的空白。 研究者提出了一种适用于混联机制的运动学正反解计算和验证的方法。其中，运动学正向求解是指根据关节变量推算机器人末端执行器的位置与姿态；而逆向求解则是依据设定位置和姿态确定相应的关节参数。准确的运动学解决方案对于机器人的控制及路径规划至关重要。 通过结合串联机构与并联结构的优势，并利用绳驱动技术避免了惯性冲击，该新型康复设备提高了训练过程中的柔顺性和舒适度。同时，借助D-H方法对运动学正反解进行计算和验证，确保机器人具备高精度的运动性能，为在医疗领域的应用奠定了坚实的理论基础。