摘要
随着膝关节骨关节炎发病率的逐年攀升，全膝关节置换术（TKA）作为治疗膝关节骨关节炎的有效手段，其术后康复训练是研究的重点内容。然而，大多数康复机器人仅将膝关节运动简化为单一轴线转动，其中的刚性结构也容易对患者造成二次损害，并且只能针对某一康复阶段的训练，具有局限性。针对以上问题，本文设计了一种刚柔耦合膝关节康复机器人，使其在满足膝关节旋转轴线运动的基础上，能够帮助患者完成TKA术后的全过程康复训练。 基于TKA术后康复运动特点，在对膝关节旋转轴线分析的基础上，提出了膝关节旋转轴线的人机匹配原理，确定了膝关节康复机构应具备4个自由度（2T2R），利用构型综合理论完成了刚性并联机构的构型，在机构中添加柔性单元，并运用伪刚体模型法对柔性铰链的扭簧刚度进行分析，以减小刚性结构的冲击与振动。设计完成的刚柔耦合膝关节康复机器人可以实现TKA术后患者的两种康复模式和五种康复动作。 机构运动学分析中，利用螺旋理论对（3-RPR）amp;R膝关节机构进行自由度分析，通过修正的G-K公式验证计算结果的正确性。根据闭环矢量法得出机构的位置逆解，运用粒子群优化算法完成机构的位置正解计算，使得位置逆解算例的正确性得到了证实。在MATLAB中，采用离散求解法绘制出机构的工作空间，空间无空洞，能满足膝关节的康复训练需求。建立虚拟样机模型，完成膝关节屈伸运动的运动学仿真，结果表明机构在屈伸过程中运动平稳、运动学性能良好。 机构动力学分析中，以雅可比矩阵为基础，完成机构条件数灵巧度性能评价指标，根据屈伸运动输出角度的变化绘制出灵巧度性能图谱，分析得出机构灵巧度性能良好。利用拉格朗日函数法完成机构的动力学建模，完成了机构的动力学性能仿真，得出运动过程的动力学性能良好，能满足膝关节康复训练需求。 通过仿真验证膝关节康复机器人两种康复模式和五种康复动作。在仰卧康复模式中，以右侧单腿下肢为例进行了四种仰卧康复动作的仿真；在站立康复模式中，通过双下肢模型完成了站立行走过程的康复动作仿真。结果表明，在完成康复动作的过程中，康复机器人的各构件和驱动副参数变化范围合理，曲线平滑且稳定，可以实现TKA术后患者的全过程康复训练。 本文设计的刚柔耦合膝关节康复机器人，能满足膝关节旋转轴线的人机匹配，amp;nbsp;可以实现膝关节的屈伸运动，利用刚柔耦合机构的特点减轻刚性构件的冲击与振动，避免对患者造成二次损害，同时可以适应不同患者之间的个体差异性，可以满足TKA术后患者的全过程康复训练需求。
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