球面四杆式肩关节康复训练装置的尺度综合及结构化设计

摘要

在我国，由脑卒中而导致患者出现肩关节半脱位以及肩关节运动功能障碍的现象，逐渐成为影响中老年人正常生活的普遍性问题。目前，针对人体上肢康复训练装置进行的研究与探索较多，而单独针对肩关节康复训练的装置则较少。此外，这些装置存在结构比较复杂、驱动设备数目较多、产品成本高以及不易控制等不足。　　本文以球面4R机构为主要研究对象，以近似刚体导引机构综合和机构约束优化的差分进化算法为主要研究手段，以实现预期的肩关节康复训练运动规律为研究目的，完成了球面四杆式肩关节康复训练装置的结构设计及其运动学性能与力学特性的分析。　　首先，通过分析肩关节生理活动特性与球面 4R 机构结构特性，确定了机构构型，同时判定出两者具有良好的契合性。　　其次，建立了球面4R机构运动学分析模型以及机构主支链与机构回路目标函数模型；同时，通过对机构各约束条件进行分类处理，确立了球面4R机构优化综合的差分进化算法。运用数值算例，验证出模型正确可行且算法高效可靠；依据优选所得位姿参数，利用差分进化算法，以上述目标函数模型为适应度函数，求出满足肩关节康复训练装置运动功能需求的优化尺寸参数。　　然后，以人机工程原理为设计准则，优先对该装置进行了总体布局，建立了人体坐姿和座椅模型。根据所得优化参数，进行结构化设计，先后建立了驱动机构、执行机构、工作台部分和总体装配三维模型。　　最后，采用 SolidWorks 软件验证出装置连杆点运动轨迹与预期运动规律基本吻合；运用ADAMS软件对装置进行了运动仿真及分析；利用ANSYS软件对其中重要零部件进行了静力学分析，验证出装置具良好的运动学与力学性能。　　本文设计的球面四杆式肩关节康复训练装置不仅具备结构简单紧凑和运动精确性高等优势，而且具有良好的运动学性能和力学特性，能够满足给定的设计要求。因此，本课题研发单独针对肩关节且结构简单的康复训练装置，具有一定的理论参考与实际应用价值。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 肩关节康复训练装置国内外研究现状

1.3 球面4R机构尺度综合国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 肩关节生理活动特性与球面4R机构结构特性分析

2.1 肩关节生理活动特性分析

2.2 球面4R机构结构特性分析

2.3 肩关节结构与球面4R机构的契合性

2.4 本章小结

3 球面4R机构近似刚体导引综合模型与方法

3.1 球面4R机构运动学分析

3.2 球面4R机构近似刚体导引综合模型

3.3 球面4R机构优化综合的差分进化算法

3.4 肩关节康复训练球面4R机构尺度综合

3.5 本章小结

4 球面四杆式肩关节康复训练装置结构设计

4.1 肩关节康复训练装置整体布局

4.2 人体坐姿模型的建立及座椅设计

4.3 肩关节康复训练装置驱动机构及各铰链轴结构设计

4.4 肩关节康复训练装置执行机构及其机架结构设计

4.5 本章小结

5 球面四杆式肩关节康复训练装置仿真分析

5.1 ADAMS和ANSYS Workbench软件简介

5.2 肩关节康复训练装置运动仿真分析

5.3 肩关节康复训练装置关键零部件有限元分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1

附录2 MATLAB程序