3-CPS/S 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)/力性能分析與試驗(yàn)

摘 要： 在我國(guó)，踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人具有巨大的市場(chǎng)潛力。為替代傳統(tǒng)的人工康復(fù)訓(xùn)練模式，提出一種基于3-CPS/S并聯(lián)機(jī)構(gòu)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人。使用旋量理論建立機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)的到機(jī)構(gòu)的輸入/輸出運(yùn)動(dòng)旋量及傳遞/約束力旋量；通過(guò)閉環(huán)矢量法得到機(jī)構(gòu)的位置逆解方程；采用能效系數(shù)法推導(dǎo)并求解得到機(jī)構(gòu)的局部傳遞指標(biāo)；分析旋量的物理意義，計(jì)算機(jī)構(gòu)的奇異位形；利用ADAMS 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，探索動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)力的相關(guān)性；最后搭建試驗(yàn)樣機(jī)，由插值函數(shù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明：CPS 支鏈的輸入傳遞指標(biāo)始終為1，局部傳遞指標(biāo)只與輸出傳遞指標(biāo)有關(guān)，且合適的設(shè)計(jì)參數(shù)能夠顯著改善機(jī)構(gòu)的局部傳遞指標(biāo)；3-CPS/S 并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工作空間內(nèi)不存在奇異位形；動(dòng)平臺(tái)在由單一/復(fù)合運(yùn)動(dòng)過(guò)渡時(shí)，應(yīng)緩慢進(jìn)行加速/減速，以減少驅(qū)動(dòng)器加速度的突變；樣機(jī)夠?qū)崿F(xiàn)帶動(dòng)患肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的目的。

關(guān)鍵詞： 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人; 并聯(lián)機(jī)構(gòu); 局部傳遞指標(biāo); 奇異位形; 動(dòng)力學(xué)仿真

中圖分類號(hào)： TB9; TH112.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2025）03–0113–10

0 引 言

我國(guó)腦卒中或脊柱損傷患者數(shù)量巨大，這些疾病會(huì)使患者產(chǎn)生許多后遺癥，如踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能障礙導(dǎo)致足下垂、足外翻等。踝關(guān)節(jié)功能障礙的一個(gè)重要因素是中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，需要刺激中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行重組和補(bǔ)償，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)感知功能的恢復(fù)[1]?？祻?fù)訓(xùn)練可以幫助患者恢復(fù)機(jī)體功能[2]，但人工訓(xùn)練技能要求高，工作強(qiáng)度大[3]。而機(jī)器人已經(jīng)成為各大企業(yè)市場(chǎng)開(kāi)拓、效能提升的重要手段[4]，因此使用康復(fù)機(jī)器人代替人工進(jìn)行訓(xùn)練是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)是設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人的常見(jiàn)構(gòu)型，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有慣性小、剛性高、結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)[5]。文獻(xiàn)[6] 研究了一種用于踝關(guān)節(jié)的9-DOF 混聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間和剛度；文獻(xiàn)[7] 提出一種具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)器的2-DOF 冗余柔性踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人。文獻(xiàn)[8] 提出一種無(wú)耦合RR-RURU 轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，基于CGA 數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行仿真分析，為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的選取提供依據(jù)。但并聯(lián)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)是也可能存在機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心與踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心不一致的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[9] 和文獻(xiàn)[10] 將踝關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外展消除，化簡(jiǎn)為一種2-DOF 的關(guān)節(jié)。文獻(xiàn)[11] 和文獻(xiàn)[12] 結(jié)合踝關(guān)節(jié)的物理特性提出一種2-UPS/RRR構(gòu)型的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，其旋轉(zhuǎn)中心與踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心大致重合，在工作空間內(nèi)具有良好動(dòng)態(tài)均勻性。文獻(xiàn)[13] 通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)映射解決了3-PUS/S型并聯(lián)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心與踝關(guān)節(jié)中心不重合的問(wèn)題。文獻(xiàn)[14] 提出一種3-RRR 球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于踝關(guān)節(jié)康復(fù)運(yùn)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)中心靠近機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心，能夠滿足踝關(guān)節(jié)的所有生理活動(dòng)范圍。

但并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要在幾個(gè)相互沖突的目標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡并聯(lián)機(jī)構(gòu)，比如，使工作空間最大化但驅(qū)動(dòng)力盡可能較小等。并且并聯(lián)機(jī)構(gòu)可還能會(huì)存在奇異位形，因此并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)還需要進(jìn)行針對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)表現(xiàn)的優(yōu)化[15-20]， 使其滿足預(yù)期的性能。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)的通常采用局部條件數(shù)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)其運(yùn)動(dòng)性能[21]，但由于雅克比矩陣元素量綱的不一致，局部條件數(shù)指標(biāo)具有不一致性[22]。文獻(xiàn)[23] 基于旋量理論，通過(guò)瞬時(shí)功率的概念提出的運(yùn)動(dòng)/力性能分析方法，該方法定義了局部傳遞指標(biāo)和優(yōu)質(zhì)傳遞工作空間用于評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)性能。文獻(xiàn)[24] 采用能效系數(shù)法定義和求解機(jī)構(gòu)傳遞性能相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本文提出一種3-CPS/S 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，使用旋量理論建立機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，閉環(huán)矢量法求解位置逆解，基于能效系數(shù)法定義并求解機(jī)構(gòu)的局部傳遞指標(biāo)，利用旋量的物理意義求解機(jī)構(gòu)的奇異位形，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能表現(xiàn)，最后搭建試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了3-CPS/S 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人用于踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的可行性。