基于KinematiC-Mapping的運動綜合理論及其在輔助康復機構中的應用.pdf

1、機構的運動綜合是從運動學的角度進行機構設計，使其實現給定的運動方式。如何同時實現機構的構型綜合與尺度綜合是機構綜合的一個難題。傳統(tǒng)的機構運動綜合理論往往能得到數學意義上的最優(yōu)解，但無法根據服役環(huán)境、材料性能、精度要求等實際需求來進行調整和擴充，導致機構無有效解，并且計算量隨位置數目遞增。在機構應用中，輔助康復機構是近年興起的一種用于協(xié)助行動不便人士實現正常運動的設施?，F有的康復機構大多為多關節(jié)多自由度機構，通過協(xié)調控制的方式實現人體部位

2、相應運動軌跡。人體各部位的運動軌跡有各自固定的模式和特點，理論上用結構簡單、易控制、體積小、經濟性好的少自由度機構就能實現，用少自由度機構實現人體部位運動軌跡的輔助康復裝置成為近年來的研究熱點。
　　本文以國家自然科學基金項目(51405128)基于運動學映射的平面/球面機構構型與尺度一體化運動綜合方法研究為依托，主要致力于基于Kinematic-Mapping理論的平面機構的運動綜合方法的研究，拓展了平面運動的幾何約束類型并建立

3、了數學模型，完成了基于Kinematic-Mapping的平面N個位姿近似運動綜合方法和面向平面六桿機構的五位姿精確運動綜合方法的理論推導?；谠摾碚摲椒?，運用MATLAB語言開發(fā)設計了《機構運動學綜合交互軟件》，用以解決基于Kinematic-Mapping理論的機構設計的設計計算、運動仿真等問題。提出了基于Kinematic-Mapping理論的康復機構的通用設計方法，結合STS輔助康復機構的設計結果，對理論進行了驗證，完成了軟件的

4、測試。
　　通過分析不同平面機構可能存在的幾何約束形式，提煉出各類型運動的約束條件的幾何表達形式，將不同構型機構的運動分析與綜合的過程轉化成幾何層面的數學運算，并推導出各約束條件的通用數學表達式。
　　在分析平面N位姿近似運動綜合問題基礎上，提出了一種新的針對平面N個目標位姿可擴展機構解空間的平面運動綜合方法，用以解決傳統(tǒng)機構求解時出現的“數學意義上的精確解不存在”、“目標位姿多造成運算量大或無解”，“數學意義上的有限最優(yōu)解

5、不能滿足實際工程需求而無解”的問題。通過引入更多特征向量，擴大擬合誤差容許范圍的方法來進一步拓展解空間，獲得更多近似解。在此基礎上，根據實際需要選取最優(yōu)二桿組構建成四桿機構，實現給定位姿，同時完成機構類型與尺度綜合。
　　面對“給定5個目標位姿精確運動綜合，不存在平面四桿機構解”的問題，基于Kinematic-Mapping理論，提出了一種新的拓撲構型設計/演化方案，用于構造能夠精確通過五個任意平面位姿的瓦特型或斯蒂芬森型六桿機構

6、。針對瓦特型和斯蒂芬森型六桿機構的不同特征，推導了斯蒂芬森型六桿運動鏈和瓦特型六桿運動鏈的拓撲演化過程。建立了兩種拓撲型六桿機構尺寸參數的確定方法。設計了瓦特型和斯蒂芬森型六桿機構尺寸參數的通用設計流程，能夠快速有效地確定六桿機構的構型與尺寸。
　　基于以上理論開發(fā)了《平面運動綜合交互軟件》，該軟件能解決平面N位姿運動綜合、具有可拓展解空間的平面Ⅳ位姿運動綜合、以及面向平面六桿機構的5位姿精確運動綜合的問題的設計計算和運動仿真。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現的位姿數據，軟件內部進行綜合，求解得到最適合給定位置的機構，并在界面中給出機構的運動仿真，用戶可以直觀比較機構的運動位姿軌跡與給定位姿的誤差。
　　基于前述理論，運用平面運動綜合交互軟件，提出了一種針對人體STS(Sit-to-Stand，坐姿到站立)運動過程中不同部位位姿軌跡的輔助康復機構設計方法，該方法以實現目標運動軌跡為導向，綜合考慮構型綜合、尺度綜合以及多種實際約束條件，設計