基于KinematiC-Mapping的運(yùn)動(dòng)綜合理論及其在輔助康復(fù)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用.pdf

1、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)綜合是從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)方式。如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合與尺度綜合是機(jī)構(gòu)綜合的一個(gè)難題。傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合理論往往能得到數(shù)學(xué)意義上的最優(yōu)解，但無(wú)法根據(jù)服役環(huán)境、材料性能、精度要求等實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行調(diào)整和擴(kuò)充，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)無(wú)有效解，并且計(jì)算量隨位置數(shù)目遞增。在機(jī)構(gòu)應(yīng)用中，輔助康復(fù)機(jī)構(gòu)是近年興起的一種用于協(xié)助行動(dòng)不便人士實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)動(dòng)的設(shè)施?，F(xiàn)有的康復(fù)機(jī)構(gòu)大多為多關(guān)節(jié)多自由度機(jī)構(gòu)，通過(guò)協(xié)調(diào)控制的方式實(shí)現(xiàn)人體部位

2、相應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡。人體各部位的運(yùn)動(dòng)軌跡有各自固定的模式和特點(diǎn)，理論上用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易控制、體積小、經(jīng)濟(jì)性好的少自由度機(jī)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)，用少自由度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人體部位運(yùn)動(dòng)軌跡的輔助康復(fù)裝置成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
　　本文以國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405128)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)映射的平面/球面機(jī)構(gòu)構(gòu)型與尺度一體化運(yùn)動(dòng)綜合方法研究為依托，主要致力于基于Kinematic-Mapping理論的平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)綜合方法的研究，拓展了平面運(yùn)動(dòng)的幾何約束類(lèi)型并建立

3、了數(shù)學(xué)模型，完成了基于Kinematic-Mapping的平面N個(gè)位姿近似運(yùn)動(dòng)綜合方法和面向平面六桿機(jī)構(gòu)的五位姿精確運(yùn)動(dòng)綜合方法的理論推導(dǎo)。基于該理論方法，運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了《機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)綜合交互軟件》，用以解決基于Kinematic-Mapping理論的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算、運(yùn)動(dòng)仿真等問(wèn)題。提出了基于Kinematic-Mapping理論的康復(fù)機(jī)構(gòu)的通用設(shè)計(jì)方法，結(jié)合STS輔助康復(fù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)理論進(jìn)行了驗(yàn)證，完成了軟件的

4、測(cè)試。
　　通過(guò)分析不同平面機(jī)構(gòu)可能存在的幾何約束形式，提煉出各類(lèi)型運(yùn)動(dòng)的約束條件的幾何表達(dá)形式，將不同構(gòu)型機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與綜合的過(guò)程轉(zhuǎn)化成幾何層面的數(shù)學(xué)運(yùn)算，并推導(dǎo)出各約束條件的通用數(shù)學(xué)表達(dá)式。
　　在分析平面N位姿近似運(yùn)動(dòng)綜合問(wèn)題基礎(chǔ)上，提出了一種新的針對(duì)平面N個(gè)目標(biāo)位姿可擴(kuò)展機(jī)構(gòu)解空間的平面運(yùn)動(dòng)綜合方法，用以解決傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)求解時(shí)出現(xiàn)的“數(shù)學(xué)意義上的精確解不存在”、“目標(biāo)位姿多造成運(yùn)算量大或無(wú)解”，“數(shù)學(xué)意義上的有限最優(yōu)解

5、不能滿(mǎn)足實(shí)際工程需求而無(wú)解”的問(wèn)題。通過(guò)引入更多特征向量，擴(kuò)大擬合誤差容許范圍的方法來(lái)進(jìn)一步拓展解空間，獲得更多近似解。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需要選取最優(yōu)二桿組構(gòu)建成四桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)給定位姿，同時(shí)完成機(jī)構(gòu)類(lèi)型與尺度綜合。
　　面對(duì)“給定5個(gè)目標(biāo)位姿精確運(yùn)動(dòng)綜合，不存在平面四桿機(jī)構(gòu)解”的問(wèn)題，基于Kinematic-Mapping理論，提出了一種新的拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)/演化方案，用于構(gòu)造能夠精確通過(guò)五個(gè)任意平面位姿的瓦特型或斯蒂芬森型六桿機(jī)構(gòu)

6、。針對(duì)瓦特型和斯蒂芬森型六桿機(jī)構(gòu)的不同特征，推導(dǎo)了斯蒂芬森型六桿運(yùn)動(dòng)鏈和瓦特型六桿運(yùn)動(dòng)鏈的拓?fù)溲莼^(guò)程。建立了兩種拓?fù)湫土鶙U機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定方法。設(shè)計(jì)了瓦特型和斯蒂芬森型六桿機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的通用設(shè)計(jì)流程，能夠快速有效地確定六桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)型與尺寸。
　　基于以上理論開(kāi)發(fā)了《平面運(yùn)動(dòng)綜合交互軟件》，該軟件能解決平面N位姿運(yùn)動(dòng)綜合、具有可拓展解空間的平面Ⅳ位姿運(yùn)動(dòng)綜合、以及面向平面六桿機(jī)構(gòu)的5位姿精確運(yùn)動(dòng)綜合的問(wèn)題的設(shè)計(jì)計(jì)算和運(yùn)動(dòng)仿真。軟

7、件具有較好的通用性和穩(wěn)定性，只需輸入給定的欲實(shí)現(xiàn)的位姿數(shù)據(jù)，軟件內(nèi)部進(jìn)行綜合，求解得到最適合給定位置的機(jī)構(gòu)，并在界面中給出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，用戶(hù)可以直觀比較機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位姿軌跡與給定位姿的誤差。
　　基于前述理論，運(yùn)用平面運(yùn)動(dòng)綜合交互軟件，提出了一種針對(duì)人體STS(Sit-to-Stand，坐姿到站立)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同部位位姿軌跡的輔助康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該方法以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡為導(dǎo)向，綜合考慮構(gòu)型綜合、尺度綜合以及多種實(shí)際約束條件，設(shè)計(jì)