一种用于腕部康复的新型并联外骨骼：概念设计、运动学与奇异性分析

《Machines》：A Novel Parallel Exoskeleton for Wrist Rehabilitation: Conceptual Design, Kinematics, and Singularity Analysis

　　腕部康复需要高精度、触觉透明性以及与人关节生理旋转中心精确对齐的能力。传统机器人系统往往存在运动惯量大或关节对位不准的问题。本文提出了一种新型3自由度球型并联外骨骼的设计及其运动学验证，该装置采用基座固定式驱动器。通过将所有驱动器安装在固定基座上，所提出的架构显著降低了运动质量，实现了安全的人-机交互所必需的低位移惯性响应。"虚拟中心"概念消除了实体中心关节，结合用户的解剖结构实现紧凑型设计。为对该操作器的运动学和奇异性进行分析，采用了两种不同的模型：基于旋转坐标系的模型（RFB）和基于初始坐标系的模型（IFB）。可操作度指标和条件数作为性能指标进行评估，以衡量灵巧性和各向同性。对基于旋转坐标系（RFB）和基于初始坐标系（IFB）模型的对比运动学分析证实了理想的中心各向同性特性。其中RFB模型实现了94.14%的高灵巧度工作空间覆盖率和99.78%的可用工作空间覆盖率，而IFB模型则达到78.80%的高灵巧度工作空间覆盖率和92.18%的可用工作空间覆盖率。解析可操作度指标验证了在整个解剖学活动范围内均无奇异性运动。此外，本文采用指数旋转矩阵提供了以紧凑形式系统推导公式的方法。