梁桥康+吴贵元+邹坤霖+王耀南+孙炜+赵全育

摘 要：为了满足踝关节康复训练对自由度、工作空间和刚度等性能的要求，本文设计了一种新型的三自由度高刚性3RPS/UPS结构并联机器人.此结构在传统的3RPS结构基础上加入了一条UPS结构的冗余驱动支链，在保证满足自由度要求的同时，又增强了结构的刚度性能，减少了操作平台的晃动和形变，提高了操作精度.通过对此结构进行逆运动学分析、工作空间分析和刚度分析，验证了3RPS/UPS结构可以应用于踝关节康复训练这类具有高负载、操作灵敏等特点的操作任务.最后对该3RPS/UPS结构并联机器人进行了运动学控制仿真，仿真结果表明系统具有较高的动态轨迹跟踪控制精度，适用于实际应用.

关键词：刚度；并联机器人；逆运动学；3RPS；工作空间；运动学控制

中图分类号：TP242.3 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2016）10-0110-09

Abstract：To meet the demand of ankle rehabilitation training in degree of freedom （DOF）， workspace and stiffness， this paper proposed a three-DOF parallel mechanism with a novel 3RPS/UPS structure. By adding a redundant driving chain with UPS structure under the foundation of the conventional 3RPS mechanism， the proposed structure can meet the demand of DOF and enhance the stiffness simultaneously. Consequently， the shaking and deformation of the operating platform is decreased， and the operation accuracy is improved as well. In this paper， we conducted a systematic analysis on the aspect of inverse kinematics， workspace and stiffness， and then demonstrated the feasibility of the proposed 3RPS/UPS structure to ankle rehabilitation training with the characteristics of heavy-load， microoperation and so on. To verify the applicability in practical operation of the proposed 3RPS/UPS structure， we conducted kinematics control simulation and obtained a high accuracy in dynamic trajectory tracking.

Key words：stiffness； parallel mechanism； inverse kinematic； 3RPS； workspace； kinematics control

由于并联机器人具有运动学逆解简单、刚度高、关节累计误差小和运动精度高等优点，使其在康复机器人领域中得到了广泛应用.目前国内外已经开展了关于踝关节康复训练并联机器人的系统性研究，用于帮助踝关节扭伤者和患有足下垂、足内翻、足外旋的患者进行踝关节的康复训练.踝关节的运动可以分解为绕3个垂直轴的转动.Girone等[1]基于Stewart平台进行了踝关节康复机器人原型机设计和踝关节康复临床试验，此结构并联机器人具有6自由度，满足踝关节的运动自由度要求，取得了很好的实验结果.但是，由于Stewart平台……