CN104721016B - 一种用于下肢康复机器人的3ups并联变胞机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于下肢康复机器人的3UPS并联变胞机构，用于康复机器人领域。所述的并联变胞机构包括基座和连接在基座上并且相对于基座左右对称的单侧并联变胞机构，所述的单侧并联变胞机构包括运动平台、电机、运动副锁定机构、连接基座和运动平台的三条运动链。本发明通过将一侧和中间的虎克铰中的一个转动副打开与锁住两种状态，分别实现髋关节的单自由度大范围屈伸运动和三自由度较小范围的转动，满足人的不同康复需求，并提高效率；将人体的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

一种用于下肢康复机器人的3UPS并联变胞机构

技术领域

本发明涉及并联机构和变胞机构，可用于康复机器人领域，具体来说，是一种基于变胞原理的可分别实现不同自由度输出的并联变胞机构。

背景技术

康复机器人是一种自动化医疗康复设备，它以医学理论为依据，帮助患者进行科学而有效的康复训练，使患者的运动机能得到更快更好的恢复。目前，应用于人体的髋关节康复机构构型方面大多采用单自由度的串联机构作为运动关节，通过绑带、腰带等固定在人体的腿部和腰部，带动人体的腿部运动。这种机构难以实现腿部绕髋关节中心转动的三自由度运动，因此在康复训练时，增大了关节的可控难度，局限了对人体关节的康复训练。

为实现病人在不同阶段进行多种形式康复运动的需求，康复机器人机构具有多自由度切换和多功能等特性是非常必要的。变胞机构是一类可根据不同的环境特点和功能需求，发生构型的序列变化，从而提供不同自由度/构件数的机构，它具有变形组合重构的特性。其概念是1998年由戴建生和J Rees Jones提出(Dai J S,Rees Jones J.Mobility inmetamorphic mechanisms of foldable/Erectable Kind[C].Proceedings of 25th ASMEBiennial Mechanisms and Robotics Conference,Baltimore,1998,375-382.)，目前已经在机器人领域取得了很多应用成果。

发明内容

为了解决现有技术中对于康复机器人的进一步需求，本发明基于变胞原理设计一种用于人体下肢康复机器人的3UPS并联变胞机构，所述的并联变胞机构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，达到更好的康复效果。

考虑人体解剖学，将人体的髋关节作为所述并联变胞机构的一部分，看做一个球副，所述并联变胞机构的基座与人体腰部为一个整体，人体大腿的骨骼可以绕髋关节中心进行三自由度的转动。

所述的并联变胞机构包括基座和连接在基座上并且相对于基座左右对称的单侧并联变胞机构，所述的单侧并联变胞机构包括运动平台、电机、运动副锁定机构、连接基座和运动平台的三条运动链，分别为第一运动链、第二运动链和第三运动链。所述第一运动链、第二运动链和第三运动链的结构相同，所述基座是个中间空心的部件，人体腰部从中间的空心处穿戴进去，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。以第一运动链为例，所述的运动链包括上连杆I和下连杆II，上连杆Ⅰ和下连杆Ⅱ之间通过滑动副P连接，上连杆Ⅰ另一端连接一个虎克铰U，虎克铰与基座相连，下连杆Ⅱ另一端连接一个球铰(球副S)，球铰与运动平台连接。三个电机分别安装在每条运动链的虎克铰的一个转动轴上，位于人体腰部附近，分别驱动每条运动链的U副中的一个转动副。该构态属于构态一，此时并联变胞机构具有三个转动自由度，可实现带动人体髋关节的三自由度运动，并且转动中心为人体髋关节，避免造成运动干涉与人体的不适。

第一运动链和第二运动链上连接的虎克铰U上均设置有运动副锁定机构，所述的运动副锁定机构可以将所述虎克铰U中的一个转动副锁死或解锁。当所述虎克铰中的一个转动副通过运动副锁定机构锁死后，其相对于虎克铰支座不可转动，虎克铰被转化成为转动副R,只可以实现单自由度转动，并且两个虎克铰剩下的两个转动副的轴线平行且与人体的冠状轴(通过人体左右面并与地面平行的轴)平行，同时必须保证的一点是，每个运动链上的滑动副方向与转动副轴线方向垂直。当锁定上述虎克铰中的一个转动副后，并联变胞机构变为构态二，此时并联变胞机构具有一个转动自由度，可实现髋关节在人体矢状面内的单自由度屈伸运动，并且运动平台运动的转动轴通过人体髋关节中心。

所述的运动副锁定机构是一个插销式结构，通过用销钉将锁定块锁定在不同位置来控制虎克铰中一个转动副的锁定与解锁。锁定块上有上下两个通孔，上连杆Ⅰ上有一个通孔C，锁定块可以在上连杆Ⅰ内部的滑槽里上下移动，滑槽底部装有弹簧，锁定块底部压缩弹簧。当锁定块下压，锁定块上面的通孔A与上连杆Ⅰ的通孔C对齐并由销钉锁定时，运动副锁定机构处于解锁状态，虎克铰自由转动；当锁定块由弹簧弹起，锁定块下面的通孔B与上连杆Ⅰ的通孔C对齐并由销钉锁定时，运动副锁定机构处于锁定状态，虎克铰的一个转动副被锁死。处于锁定状态时，锁定块的上平面与虎克铰中的一个转动轴的下平面接触，限制其转动。所述通孔A、通孔B和通孔C的位置均根据构态变换瞬间机构所处的位置选定。

本发明的优点在于：

1、本发明通过将一侧和中间的虎克铰中的一个转动副打开与锁住两种状态，分别实现髋关节的单自由度大范围屈伸运动和三自由度较小范围的转动，满足人的不同康复需求，并提高效率。

2、本发明将人体的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是本发明一种用于下肢康复机器人的3UPS并联变胞机构的整体结构示意图。

图2是本发明一种用于下肢康复机器人的3UPS并联变胞机构中单侧并联变胞机构的构态一示意图。

图3是本发明一种用于下肢康复机器人的3UPS并联康复变胞机构中单侧并联变胞机构构态二示意图。

图4A和图4B是本发明一种康复变胞机构的虎克铰结构示意图。

图5A～图5C是本发明一种康复变胞机构的锁定机构结构示意图。

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-运动副锁定机构； 7-上连杆I； 8-下连杆II；

9-虎克铰； 10-球铰； 11-电机； 12-通孔A；

13-通孔B； 14-通孔C； 15-虎克铰十字形芯轴； 16-虎克铰支座；

17-锁定块； 18-销钉； 19-弹簧。

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。

本发明提供一种用于下肢康复机器人的3UPS并联变胞机构，如图1所示，所述的并联变胞机构包括两个单侧并联变胞机构，分别为相对于基座1对称的左侧并联变胞机构和右侧并联变胞机构，人体穿戴该并联变胞机构，人体腰部处于基座1中间的空心处，人体的左腿大腿和右腿大腿上分别穿戴左侧并联变胞机构和右侧并联变胞机构。

所述单侧并联式变胞机构的两种构态分别如图2和图3所示，所述的单侧并联变胞机构包括运动平台2、电机11、连接基座1和运动平台2的三条运动链—第一运动链3、第二运动链4和第三运动链5以及运动副锁定机构6。所述第一运动链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，上连杆I7和下连杆II8之间通过滑动副连接，上连杆I7的另一端通过虎克铰9与基座1相连，下连杆II8的另一端通过球铰10与运动平台2相连。所述的虎克铰9，如图4A和图4B所示，包括虎克铰十字形芯轴15和虎克铰支座16，虎克铰十字形芯轴15的两个转动轴两端分别与虎克铰支座16和上连杆I7相连，使得所述的虎克铰支座16和上连杆I7分别可以绕所述的虎克铰十字形芯轴15的两个转动轴转动。虎克铰支座16与基座1相连，球铰10通过球铰座与运动平台2相连。第一运动链3的虎克铰9中与基座1相连的转动副和第二运动链4的虎克铰9中与基座1相连的转动副相平行，并且与人体的冠状轴平行，第三运动链5的虎克铰9中与基座1相连的转动轴与人体冠状轴夹角45度，并且指向基座1圆心。所述电机11与所述虎克铰9连接，用于驱动虎克铰9中与人体冠状轴平行的转动轴的转动。

所述的用于下肢康复机器人的3UPS并联变胞机构具有两种构态，构态一的结构如图2所示。实施过程为首先将运动平台2调节到初始位置，即运动平台2与基座1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的运动副锁定机构6均打开，这两个运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。

构态二的结构如图3所示。实施过程为首先将运动平台2调节到初始位置，即运动平台2与基座1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，然后通过运动副锁定机构6将第一运动链3和第二运动链4中虎克铰9的各一个转动副锁死，锁死后该转动副相对于虎克铰支座不可转动，虎克铰9被转换为转动副，只可实现单自由度转动，并且两条运动链的虎克铰9处剩下的两个转动副的轴线平行且与人体的冠状轴平行。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。

所述的运动副锁定机构6是一个插销式结构，如图5A～5C，包括销钉18、锁定块17和弹簧19，通过用销钉18将锁定块17锁定在不同位置来控制虎克铰9中转动副的锁定与解锁。锁定块17上有上下两个通孔，分别为通孔A12和通孔B13，上连杆Ⅰ7上有一个通孔C14，锁定块17可以在上连杆Ⅰ7内部的滑槽里上下移动，滑槽底部装有弹簧19，锁定块17底部压缩弹簧19。当锁定块17下压，上面的通孔A12与上连杆Ⅰ7的通孔C14对齐并由销钉18锁定时，运动副锁定机构6处于解锁状态，虎克铰9自由转动，机构此时变为构态一；当锁定块17由弹簧19弹起，下面的通孔B13与上连杆Ⅰ7的通孔C14对齐并由销钉18锁定时，运动副锁定机构6处于锁定状态，虎克铰9的一个转动副被锁死。处于锁定状态时，锁定块17的上平面与虎克铰十字形芯轴15的其中一个转动轴的下平面接触，限制该转动轴的转动。所述通孔A12、通孔B13和通孔C14的位置均根据构态变换瞬间(如上述的人体处于自然的直立状态)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，运动平台的工作空间有限，因此在该康复阶段会造成大量的浪费，并且由于构态一时机构的重量较大，给患者带来较大的负担，难以达到相适应的康复需求。通过采用构态二，可以大大简化计算过程与控制难度，减轻重量，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，需要髋关节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髋关节中心的单自由转动，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，可实现绕髋关节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)

1.一种用于下肢康复机器人的3UPS并联变胞机构，其特征在于：所述的3UPS并联变胞机构包括基座和连接在基座上并且相对于基座左右对称的单侧并联变胞机构，所述的单侧并联变胞机构包括运动平台、电机、运动副锁定机构和三条运动链，所述的三条运动链均连接在基座和运动平台之间，所述三条运动链分别为第一运动链、第二运动链和第三运动链；所述第一运动链、第二运动链和第三运动链的结构相同，并且其中的两个运动链上设置有运动副锁定机构；所述基座是个中间空心的部件，人体腰部从中间的空心处穿戴进去，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；所述的运动链包括上连杆I和下连杆II，上连杆Ⅰ和下连杆Ⅱ之间通过滑动副P连接，上连杆Ⅰ另一端连接一个虎克铰U，虎克铰U与基座相连，下连杆Ⅱ另一端连接一个球铰S，球铰S与运动平台连接；三个电机分别安装在每条运动链的虎克铰U的一个转动轴上，分别驱动每条运动链的虎克铰U中的一个转动副，此时并联变胞机构为构态一；在所述构态一，并联变胞机构具有三个转动自由度，实现带动人体髋关节的三自由度运动，并且转动中心为人体髋关节，避免造成运动干涉与人体的不适；

第一运动链和第二运动链上连接的虎克铰U上均设置有运动副锁定机构，所述的运动副锁定机构用于将所述虎克铰U中的一个转动副锁死或解锁；当所述虎克铰U中的一个转动副通过运动副锁定机构锁死后，其相对于虎克铰支座不转动，虎克铰U被转化成为转动副R，只实现单自由度转动，并且两个虎克铰U剩下的两个转动副的轴线平行且与人体的冠状轴平行，同时必须保证的一点是，每个运动链上的滑动副方向与转动副轴线方向垂直；当锁定上述虎克铰U中的一个转动副后，并联变胞机构变为构态二；在所述的构态二，并联变胞机构具有一个转动自由度，实现髋关节在人体矢状面内的单自由度屈伸运动，并且运动平台运动的转动轴通过人体髋关节中心。

2.根据权利要求1所述的一种用于下肢康复机器人的3UPS并联变胞机构，其特征在于：所述的运动副锁定机构是一个插销式结构，包括销钉和锁定块，通过用销钉将锁定块锁定在不同位置来控制虎克铰U中一个转动副的锁定与解锁；锁定块上有上下两个通孔，上连杆Ⅰ上有一个通孔C，锁定块在上连杆Ⅰ内部的滑槽里上下移动，滑槽底部装有弹簧，锁定块底部压缩弹簧；当锁定块下压，锁定块上面的通孔A与上连杆Ⅰ的通孔C对齐并由销钉锁定时，运动副锁定机构处于解锁状态，虎克铰U自由转动；当锁定块由弹簧弹起，锁定块下面的通孔B与上连杆Ⅰ的通孔C对齐并由销钉锁定时，运动副锁定机构处于锁定状态，虎克铰U的一个转动副被锁死；处于锁定状态时，锁定块的上平面与虎克铰U中的一个转动轴的下平面接触，限制其转动。

3.根据权利要求2所述的一种用于下肢康复机器人的3UPS并联变胞机构，其特征在于：所述通孔A、通孔B和通孔C的位置均根据构态变换瞬间机构所处的位置选定。

4.根据权利要求1所述的一种用于下肢康复机器人的3UPS并联变胞机构，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两端分别与虎克铰支座和上连杆I相连，使得所述的虎克铰支座和上连杆I分别绕所述的虎克铰十字形芯轴的两个转动轴转动；虎克铰支座与基座相连；第一运动链的虎克铰U中与基座相连的转动副和第二运动链的虎克铰U中与基座相连的转动副相平行，并且与人体的冠状轴平行，第三运动链的虎克铰U中与基座相连的转动轴与人体冠状轴夹角45度，并且指向基座圆心。