康复训练设备建模及运动轨迹研究.pdf

第 1期 (总第200期) 机 械 工 程 与 自动 化 No．1 2017年 2月 MECHANICAL ENGINEERING AUT0MATION Feb． 文章编号 ：1672—6413(2017)01-0037-02 康复训练设备建模及运动轨迹研究米 郭桓宇，侯悦 民，李 康 (北京信息科技大学 机 电工程学院，北京 100192) 摘要：针对康复训练设备提出一种基于MATLAB／Simscape平台的仿真方法，在无需建立运动学方程的情 况下，直观观察设备可实现 的多种不 同运动模式 。该方法 的关键是利用连杆机构的曲线特性来寻找一组满足 特定康复训练要求的运动轨迹。为此，在MATLAB／Simscape平台建立仿真模型以寻找所需要的训练轨迹 及机构参数。通过结果分析，该康复训练设备能保证末端执行机构平稳运行，并验证 了其轨迹的可行性和合 理性。 关键词 ：康复训练设备；平面连杆机构；运动轨迹；Simscape平 台 中图分类号 ：TP391．7 文献标识码 ：A 0 引言 Simscape是在 Simulink基础上扩展的基于物理 由于各国老龄化问题越来越严重，中风患者越来 连接的物理系统建模工具 ，用来搭建不同领域物理系 越多，给家庭和社会带来很大负担，正确科学的康复训 统的模型，并进行仿真分析 。其采用物理拓扑网络方 练对肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要 的作 式构建模型，每一个建模模块都对应一个实际的物理 用。随着机器人技术的快速发展，很多用于偏瘫康复 元器件 ，模块之间的连接线代表元件之间的装配和能 的机器人 已经被研发和生产。康复机器人作为一种 自 量传递关系。这种建模方式很直观地表现出物理系统 动化设备 ，可以帮助患者完成各种动作 ，进行科学而又 的组成结构 ，并根据模型所表达的系统组成关系 自动 有效 的康复训练 ，使患者 的运动机能得到更好 的恢 构造出可 以计算系统动态特性 的数学方程。Simscape 复_1]。康复设备一般 由连杆机构组成 ，连杆上 的不 同 依靠子模块 SimMechanics、SimDriveline、SimHydraulics、 位置点其运动轨迹不 同，因此利用连杆曲线特性可实 SimElectronics可以实现非常复杂的多域物理模型混 现多种复杂运动轨迹。不同的运动轨迹模式对应不同 合建模和仿真 。相 比于 Simulink，Simscape更直观 、 的连杆位置，精确求解连杆位置需要建立运动方程 。 更方便、更高效 ，能快速发现集成 问题、优化系统级性 在实际应用中，用户需要根据病人 的具体情况采用不 能¨3]。在 Simscape平 台进行建模仿真 的一般流程如 同的运动模式，因此预先设计的运动模式不能满足个 图2所示 。 体病人的个性化要求 。所以，提供一种便于用户掌握 和操作的调节方法是一种现实的需求。 本文针对康复训练设备提 出一种基于 MATLAB／ Simscape平台的仿真方法 ，在无需建立运动学方程 的 情况下，可直观观察设备实现的多种运动模式。 图 1 康复训练设备 9种配置方案 1 康复训练设备几何模型 该康复训练设备包括水平平面机构和竖直平面机 早蠢絮签翥室蔷段l I — — 素 构 。水平平面机构用于产生训练轨迹 ，竖直平面机构 碴建立模塑型望与仿真盲}I ’II器鑫寄豢藿 辅助水平平面机构实现空间运动。竖直平面机构包