CN104706453B - 一种可在3urs和2rrs/urs两种构型之间转换的下肢康复机器人机构 - Google Patents
一种可在3urs和2rrs/urs两种构型之间转换的下肢康复机器人机构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可在3URS和2RRS/URS两种构型之间转换的下肢康复机器人机构，应用于康复机器人领域。所述的下肢康复机器人机构包括对称布置在基座两侧的两个单侧并联式变胞机构，所述的单侧并联式变胞机构包括一个运动平台和三个运动链，所述的三个运动链连接在运动平台与基座之间；所述基座是个中间空心的部件，人体腰部从中穿戴进去，并与基座固定在一起；运动平台与人体大腿通过绑带连接在一起，运动平台的运动带动人体大腿运动。本发明可以实现运动平台不同的运动输出，针对患者不同需求进行助力和康复。将人体髋关节考虑成了机构的一部分，单自由度转动与三自由度转动均绕髋关节中心运动，不会与人体自身的运动发生干涉，有利于康复过程。
Description
技术领域
本发明涉及变胞机构和并联机构，基于变胞原理完成并联机构两种构型的转换，实现不同自由度输出，可应用于康复机器人领域，满足患者康复不同阶段的运动需求。
背景技术
下肢康复机器人主要用于辅助由于中风、脑损伤等神经中枢受损造成的偏瘫、瘫痪等行走功能障碍患者急性期过后的运动康复训练。康复机器人被穿戴在人体身上，输出一定的运动，与人体运动配合，为患者提供助力，实现其生理机能的康复。目前，应用于人体的髋关节康复机构构型单一、可控自由度少、与人体运动相容性低，使得人体穿戴后舒适性差，并且难以满足患者在康复不同阶段对髋关节不同运动输出的需求，难以达到良好的康复效果。
为实现病人在不同阶段进行多种形式康复运动的需求，康复机器人机构应该能够根据患者康复需求变换构型，实现不同的运动输出，达到更好的康复效果。变胞机构(Metamorphic Mechanism),可以定义为能在瞬时使某些构件发生合并/分离、或出现几何奇异，并使机构有效构件数或自由度数发生变化，从而产生新构型的机构。变胞机构这一新型的机构是在1998年在亚特兰大召开的第25届ASME机构学与机器人学双年会上由戴建生和J Rees Jones首次发表其概念，目前已经在机器人领域取得了很多应用成果，如变胞车轮、变胞机械手、水下变胞机器人等。
并联机构是动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重符合比小、动力性能好、控制容易等一系列优点，因此将并联机构与变胞机构结合，设计一种可应用于人体下肢康复的新型机构是非常有必要的。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明设计一种应用于人体髋关节的可在3URS和2RRS/URS两种构态之间转换的下肢康复机器人机构，具有多自由度切换和多功能等特性，可根据患者不同康复需求变换自身构型实现不同自由度输出，完成相应的康复训练动作。
本发明所述的可在3URS和2RRS/URS两种构态之间转换的下肢康复机器人机构，包括对称布置在基座两侧的两个单侧并联式变胞机构，以其中的一个单侧并联式变胞机构为例，所述的单侧并联式变胞机构具有两种构态，两种构态可以相互转换。构态一的构型是3URS，构态二的构型是2RRS/URS。构态一表示连接运动平台和基座的三个并联运动链中，每条运动链都是由一个虎克铰U、一个转动副R和一个球副S串联组成。构态二表示连接运动平台和基座的三个并联运动链中，其中两条运动链由两个转动副R和一个球副S串联组成，另一条运动链由一个虎克铰U、一个转动副R和一个球副S串联组成。将人体髋关节作为机构的一部分，看做一个球铰S与基座连接，所述基座与人体腰部为一个整体，人体髋关节与人体大腿骨骼是一个整体，具有三自由度的转动，转动中心为人体髋关节中心。此时将人体髋关节考虑进去时，构态一具有三自由度转动的自由度，转动中心为人体髋关节；构态二具有单自由度转动，转动轴与人体冠状轴(通过人体左右面并与地面平行的轴)平行并且通过髋关节中心。
所述的单侧并联式变胞机构，包括一个运动平台和三个运动链，分别为第一运动链、第二运动链和第三运动链，所述的三个运动链连接在运动平台与基座之间，每个运动链上连接电机用于驱动运动链的运动。其中，基座是个中间空心的部件，人体腰部从中穿戴进去，并与基座固定在一起。运动平台与人体大腿通过绑带连接在一起，运动平台的运动带动人体大腿运动。当所述的单侧并联式变胞机构处于构态一时，并联式变胞机构带动人体大腿绕人体髋关节做三自由度转动，实现各个方向的助力；当机构处于构态二时，并联式变胞机构带动人体大腿绕人体髋关节做单自由度转动，实现人体矢状面内的屈伸运动。
所述的三个运动链的结构相同，均包括上连杆Ⅰ和下连杆Ⅱ，所述的上连杆I和下连杆II之间通过转动副连接，上连杆Ⅰ另一端连接一个虎克铰，虎克铰支座连接到基座；下连杆Ⅱ另一端连接一个球铰，球铰通过球铰基座与运动平台连接。三条运动链中，第一运动链和第二运动链的虎克铰中与虎克铰支座相连的转动轴A与人体矢状轴(通过人体前后面并与地面平行的轴)平行，第三运动链的虎克铰中与虎克铰支座相连的转动轴A与人体矢状轴夹角为45度。在每个运动链的虎克铰的转动轴B上均连接一个电机，所述电机安装位置靠近人体腰部附近，分别驱动每条运动支链的U副中的一个转动副，该构态属于构态一。
第一运动链和第二运动链的虎克铰中的转动轴A上有螺纹孔A，相应的虎克铰支座上有螺纹孔B，螺栓穿过所述的螺纹孔B和螺纹孔A，将所述的虎克铰支座和转动轴A之间的相对运动锁定，此时虎克铰变为单自由度转动的铰链；将螺栓去掉后，转动轴A可以自由转动，此时为构态一。构态二必须要保证的是：第一运动链和第二运动链的虎克铰处剩下的两个转动轴的轴线都与人体的冠状轴平行，此时连接上连杆I的转动副与人体的冠状轴平行。当锁定上述虎克铰中的转动轴A后，机构变为构态二。
本发明的优点在于：
1、本发明通过将第一运动链和第二运动链的虎克铰中的一个转动轴的锁定与解锁两种状态，完成两种不同并联构型的切换，实现运动平台不同的运动输出，针对患者不同需求进行助力和康复。
2、本发明将人体髋关节考虑成了机构的一部分，单自由度转动与三自由度转动均绕髋关节中心运动，不会与人体自身的运动发生干涉，有利于康复过程。
附图说明
图1是本发明一种下肢康复机器人机构的单侧并联式变胞机构示意图；
图2是本发明一种下肢康复机器人机构的单侧并联式变胞机构整体结构俯视图(隐藏基座)；
图3是本发明一种下肢康复机器人机构的虎克铰十字形芯轴结构示意图；
图4A和图4B是本发明一种下肢康复机器人机构的构态转换机构示意图。
图中：
1-基座；2-运动平台；3-第一运动链；4-第二运动链；
5-第三运动链；6-螺栓；7-上连杆I；8-下连杆II；
9-虎克铰；10-球铰；11-人体髋关节；12-人体大腿骨骼；
901-虎克铰十字形芯轴；902-虎克铰支座；903-转动轴A；904-转动轴B；
905-螺纹孔A；906-螺纹孔B。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提供一种可在3URS和2RRS/URS两种构型之间转换的下肢康复机器人机构，是一个髋关节的康复变胞机构。
所述的下肢康复机器人机构具有两种构型，本发明中将人体髋关节11考虑为一个具有三自由度转动的球铰，与安装在人体外侧的两个单侧并联式变胞机构构成一个整体，实现对人体髋关节11进行助力，完成人体下肢康复动作。
本发明提供的可在3UPS和2RRS/URS两种构型之间转换的下肢康复机器人机构，包括相对人体髋关节11对称的连接在基座1上的两个单侧并联式变胞机构，如图1所示，所述的单侧的并联式变胞机构分别位于人体左腿外侧或右腿外侧，人体大腿骨骼12穿过每个并联式变胞机构的运动平台并固定。固定方式可以选择绑带的方式。所述的两个单侧并联式变胞机构的结构相同，下面仅以一个单侧并联式变胞机构的结构进行说明。
如图1所示，所述的单侧并联式变胞机构包括一个运动平台2和三条运动链，每个运动链上连接一个电机，提供驱动力。所述的运动平台2通过三条运动链连接在基座1上。基座1和运动平台2均通过柔软的绑带与人体相连，基座1与人体的腰部相连，两个运动平台2分别与人体的左腿和右腿的大腿相连，即人体穿戴该下肢康复机器人机构，腰部处于基座1中间的空心处，人体的左腿和右腿的大腿分别处于两个运动平台2之间的空心处，人体髋关节11看做一个球铰。
所述的三条运动链，分别为第一运动链3、第二运动链4和第三运动链5。第一运动链3、第二运动链4和第三运动链5结构相同。以第一运动链3为例，所述的第一运动链3包括上连杆I7和下连杆II8，所述的上连杆I7和下连杆II8之间通过转动副连接，上连杆I7的另一端和虎克铰9的一个转动轴B904固定相连，下连杆II8的另一端和球铰10固定相连。虎克铰9，如图3和图4所示，包括虎克铰十字形芯轴901和虎克铰支座902，虎克铰十字形芯轴901的两个转动轴(转动轴A903和转动轴B904)两端分别与虎克铰支座902和上连杆I7相连，使得所述的虎克铰支座902可以绕转动轴A903转动，所述的上连杆I7可以绕转动轴B904转动。虎克铰支座902与基座1固定相连，球铰10通过球铰座与运动平台2相连。所述的转动轴B904上连接有电机，用于驱动该转动轴B904的转动。
第一运动链3的虎克铰9中与虎克铰支座902相连的转动轴A903和第二运动链4的虎克铰中与虎克铰支座902相连的转动轴A903相平行，并且与人体的矢状轴平行；第三运动链5的虎克铰中与虎克铰支座902相连的转动轴A与人体矢状轴夹角45度，如图2所示。如图4A和图4B所示，所述的虎克铰支座902和转动轴A903之间的相对运动可以通过螺栓6进行控制，实现二者相对运动的锁定和解锁。在每个单侧并联式变胞机构中第一运动链3和第二运动链4上，即转动轴A903相互平行的两个运动链上，与虎克铰支座902相连的转动轴A903的一端开一个螺纹孔A905，虎克铰支座902的相应位置也开个螺纹孔B906，螺栓6依次穿过两个螺纹孔B906和螺纹孔A905，通过与螺纹孔B906和螺纹孔A905的配合关系，限制该转动轴A903相对于虎克铰支座902之间的相对转动，实现该转动轴A903的锁定，当螺栓6拆卸后，实现所述转动轴A903的解锁，如此实现该单侧并联式变胞机构的两种构态变换。
所述的单侧并联式变胞机构具有两种构态，两种构态可以相互转换。构态一的构型是3URS，构态二的构型是2RRS/URS。构态一表示三条运动链并联，每条运动链都是由一个虎克铰U、一个转动副R和一个球副S串联组成。构态二表示三条运动链并联，其中两条运动链由两个转动副R和一个球副S串联组成，称为2RRS；第三条运动链由一个虎克铰U、一个转动副R和一个球副S串联组成，称为URS。将人体髋关节11作为所述单侧并联式变胞机构的一部分，看做一个球副，基座1与人体腰部为一个整体，人体大腿骨骼12绕人体髋关节11中心可做三自由度的转动。此时将人体髋关节11考虑进去时，构态一具有三自由度转动的自由度，转动中心为人体髋关节11；构态二具有单自由度转动，转动轴与人体冠状轴平行并且通过人体髋关节11中心。
构态一实施过程，首先将运动平台2调节到初始位置，即运动平台2与地面平行且人体腿部不发生旋转，此时人体处于自然的直立状态，然后将第一运动链3和第二运动链4的构态转换螺栓6均拆下，这两条运动链上分别与基座1相连的转动副都恢复为虎克铰9。此时为构态一的初始位置，将其佩戴到人体的腰部和腿上，人体腿部从此时开始做绕髋关节中心转动的三自由度运动，人体可以做各种日常活动进行康复练习。
构态二实施过程，首先将运动平台2调节到初始位置，即运动平台2与地面平行且人体腿部不发生旋转，此时人体处于自然的直立状态，然后通过构态转换螺栓6分别将第一运动链3和第二运动链4的虎克铰9的与虎克铰支座902相连的各一个转动副(即转动轴A903)锁死，锁死后被锁死的转动轴A903相对于虎克铰支座902不可相对转动，虎克铰9变为单自由度转动的转动副，并且两条运动链(第一运动链3和第二运动链4)的虎克铰处剩下的两个转动副的轴线均与人体的冠状轴平行，且连接上连杆I7与下连杆II8的转动副与人体冠状轴平行，此时为构态二的初始位置，将其佩戴到人体的腰部和腿上，人体腿部从此时开始做绕人体冠状轴的单自由度屈伸运动，即人直线行走时运动范围最大的方向的运动，进行康复练习。
两种构态之间的转换通过用螺栓6将虎克铰支座902和与之相连的虎克铰9中的转动轴锁定与解锁来实现。虎克铰十字形芯轴901与虎克铰支座902相连的转动轴A903上开一个螺纹孔A905，虎克铰支座902相应位置也开个螺纹孔B906，螺栓6将上述两个螺纹孔A905和螺纹孔B906锁住时，所述的转动轴A903相对于虎克铰支座902不可再相对转动，此时转动轴A903锁定，机构此时为构态二。将螺栓6去掉后，转动轴A903可以自由转动，此时为构态一。所述螺纹孔A905和螺纹孔B906的位置均根据构态变换瞬间机构所处的位置选定。
人体康复初期，运动能力较弱，只需完成简单的在人体矢状面内的重复屈伸运动，并且运动幅度逐渐增强，由于构态一的计算效率较低、控制复杂，运动平台2的工作空间有限，自重大，因此在该康复阶段会造成大量的浪费和人体负担，并且难以达到相适应的康复需求。通过采用该种的并联式变胞机构，即采用构态二，可以大大简化计算过程与控制难度，并且易于实现矢状面内的大范围运动。
而在康复后期，需要人体完成较为复杂的日常动作，需要人体髋关节11实现各个方向的转动，包括人体矢状面内的屈伸运动，人体冠状面内的展收运动，以及绕自身垂直轴的旋转运动，由于构态二只可以完成绕人体髋关节11中心的单自由转动，难以实现该康复阶段的需求，故将锁定的两个转动副打开，即采用构态一，可实现绕人体髋关节11中心的三自由度运动，达到各个方向关节康复运动的目标，有更好的康复效果。
Claims (4)
1.一种可在3URS和2RRS/URS两种构型之间转换的下肢康复机器人机构，其特征在于：包括对称布置在基座两侧的两个单侧并联式变胞机构，所述的两个单侧并联式变胞机构的结构相同，所述的单侧并联式变胞机构包括一个运动平台和三个运动链，分别为第一运动链、第二运动链和第三运动链，所述的三个运动链连接在运动平台与基座之间，每个运动链上连接电机用于驱动运动链的运动；所述基座是个中间空心的部件，人体腰部从中穿戴进去，并与基座固定在一起；运动平台与人体大腿通过绑带连接在一起，运动平台的运动带动人体大腿运动；
所述的单侧并联式变胞机构具有两种构态，两种构态可以相互转换；构态一的构型是3URS，构态二的构型是2RRS/URS；构型一表示用来连接运动平台和基座的三个运动链中，每条运动链都是由一个虎克铰U、一个转动副R和一个球副S串联组成；构态二表示用来连接运动平台和基座的三个运动链中，其中两条运动链由两个转动副R和一个球副S串联组成，另一条运动链由一个虎克铰U、一个转动副R和一个球副S串联组成；当所述的单侧并联式变胞机构处于构态一时，单侧并联式变胞机构带动人体大腿绕人体髋关节做三自由度转动，实现各个方向的助力；当单侧并联式变胞机构处于构态二时，单侧并联式变胞机构带动人体大腿绕人体髋关节做单自由度转动，实现人体矢状面内的屈伸运动。
2.根据权利要求1所述的一种可在3URS和2RRS/URS两种构型之间转换的下肢康复机器人机构，其特征在于：所述的三个运动链的结构相同，均包括上连杆I和下连杆II，所述的上连杆I和下连杆II之间通过转动副R连接，上连杆I另一端连接一个虎克铰U，虎克铰支座连接到基座；下连杆II另一端连接一个球铰，球铰通过球铰基座与运动平台连接；三条运动链中，第一运动链和第二运动链的虎克铰U中与虎克铰支座相连的转动轴A与人体矢状轴平行，第三运动链的虎克铰U中与虎克铰支座相连的转动轴A与人体矢状轴夹角为45度。
3.根据权利要求1所述的一种可在3URS和2RRS/URS两种构型之间转换的下肢康复机器人机构，其特征在于：第一运动链和第二运动链的虎克铰U中的转动轴A上有螺纹孔A，相应的虎克铰支座上有螺纹孔B，螺栓穿过所述的螺纹孔B和螺纹孔A，将所述的虎克铰支座和转动轴A之间的相对运动锁定，此时虎克铰U变为单自由度转动的铰链，此时为构态二；将螺栓去掉后，转动轴A可以自由转动，此时为构态一。
4.根据权利要求2所述的一种可在3URS和2RRS/URS两种构型之间转换的下肢康复机器人机构，其特征在于：所述的虎克铰U，包括虎克铰十字形芯轴和虎克铰支座，虎克铰十字形芯轴的两个转动轴分别为转动轴A和转动轴B，转动轴A的两端分别与虎克铰支座相连，转动轴B的两端分别与上连杆I相连，使得所述的虎克铰支座可以绕转动轴A转动，所述的上连杆I可 以绕转动轴B转动。
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