CN105030479A - 一种基于三自由度并联机构的脚踝康复机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三自由度并联机构的脚踝康复机器人。该机器人包括机械部分和运动控制系统部分。机械部分包括脚踝驱动部分和脚部固定装置两部分；运动控制部分通过并联机器人控制技术实现四套液压伺服作动器协同工作控制脚踝康复机器人动平台的三个旋转自由度。本发明用于脚踝关节疾病、运动损伤和术后的康复与辅助治疗，可以实现脚踝关节三个转动自由度；可录入医生对病人康复时的脚踝康复运动轨迹，录入的康复过程可以自动施加到脚踝关节，带动脚踝关节运动，实现对病人的最快康复。

Description

一种基于三自由度并联机构的脚踝康复机器人
技术领域
本发明涉及一种脚踝康复机器人，尤其是涉及基于并联脚踝康复机器人。
背景技术
目前脚踝关节疾病、运动损伤和术后的康复与辅助治疗需要多名理疗医师进行下肢康复训练，效率低下，治疗效果主观性大，不能精确控制和记录脚踝康复训练参数，不利于治疗方案的改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三自由度并联机构的脚踝康复机器人，用于脚踝关节疾病、运动损伤和术后的康复与辅助治疗。基于三自由度并联机构的脚踝康复机器人可以实现脚踝关节三个转动自由度；可录入医生对病人康复时的脚踝康复运动轨迹，录入的康复过程可以自动施加到脚踝关节，带动脚踝关节运动。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：采用一种基于三自由度并联机构的脚踝康复机器人。该机器人包括机械部分和运动控制系统部分。基于三自由度并联机构的脚踝康复机器人机械部分包括：脚踝驱动部分和脚部固定装置两部分。脚踝康复驱动部分由四套液压伺服作动器、与作动器相匹配的四个伺服阀和铰链、脚踝康复机器人下平台、脚踝康复机器人动平台、固定在下平台上限制三个平动自由度的限位杆和连接限位杆与动平台的球铰组成；脚部固定部分包括一套可以调节大小的固定装置。所述机械部分具有三个绕水平向转动的自由度。基于三自由度并联机构的脚踝康复机器人运动控制部分；通过并联机器人控制技术实现四套液压伺服作动器协同工作控制脚踝康复机器人动平台的三个旋转自由度。
所说的三自由度并联机构是指作动器数目为3～4个，且机构的自由度为3个转动自由度。本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：本发明用于脚踝关节疾病、运动损伤和术后的康复与辅助治疗。基于三自由度并联机构的脚踝康复机器人可以实现脚踝关节三个转动自由度；可录入医生对病人康复时的脚踝康复运动轨迹，录入的康复过程可以自动施加到脚踝关节，带动脚踝关节运动。由于并联机构刚度好，控制精度高，相应快等特点使得本发明具有更好的控制性能指标，可以广泛应用于康复机构、医院、家庭，对人们的脚踝康复具有重要作用。
附图说明
图1：本发明的结构原理图。
图2：脚踝损伤患者使用本发明进行康复的示意图。
具体实施方式
如附图1所示，基于并联三自由度机构的脚踝康复机器人包括脚踝康复机器人下平台(1)、四套伺服作动器和与之匹配的伺服阀(3)、脚踝康复机器人动平台(8)、四套连接伺服作动器与脚踝康复机器人下平台的铰链(2)、四套连接伺服作动器与脚踝康复机器人动平台的铰链(9)、固定在脚踝康复机器人下平台上的限位杆(5)、连接限位杆与脚踝康复机器人上平台的球铰(6)、一套固定在动平台上大小可以调节的脚部固定装置(7)。机械部分具有三个绕水平向转动的自由度。所述伺服作动器可以是液压伺服作动器、气动伺服作动器或者电动伺服作动器。其中伺服作动器与上、下平台的连接点都以限位杆为中心呈中心对称布置，各个伺服作动器均不和限位杆(5)在同一个平面内。
所说的三自由度并联机构是指作动器数目为3～4个，且机构的自由度为3个转动自由度。本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：本发明用于脚踝关节疾病、运动损伤和术后的康复与辅助治疗。基于三自由度并联机构的脚踝康复机器人可以实现脚踝关节三个转动自由度；可录入医生对病人康复时的脚踝康复运动轨迹，录入的康复过程可以自动施加到脚踝关节，带动脚踝关节运动。
本发明的工作原理如下:
本发明中液压伺服作动器1、2、3、4(3、4、10、11)经过连接伺服作动器与动平台的铰链将力和位移传递给动平台(8)，进一步动平台将力与位移传递给固定在动平台上的脚部固定装置(7)，进而形成施加到需要对脚踝进行康复与辅助治疗着的脚踝。
坐标系的定义：如图所示，坐标原点定义在球铰中心，X、Y、Z方向如图所示。转动方向满足右手定则。
绕X轴的转动的实现：
由附图1可以看出由控制系统控制脚踝康复机器人实现绕X轴正转动时，Y轴正向两个液压伺服作动器2、3(4、10)缩短到所需长度，Y轴负方向两个伺服作动器1、4(3、11)伸长相应的长度；同样的实现绕X轴负转动时Y轴负向两个液压伺服作动器1、4(3、11)伸长到所需长度，Y轴正方向两个伺服作动器2、3(4、10)缩短相应的长度；
绕Y轴的转动的实现：
由附图1可以看出由控制系统控制脚踝康复机器人实现绕Y轴正转动时，X轴正向两个液压伺服作动器3、4(10、11)伸长到所需长度，X轴负方向两个伺服作动器1、2(3、4)缩短相应的长度；同样的实现绕Y轴负转动时X轴正向两个液压伺服作动器3、4(10、11)缩短到所需长度，X轴负方向两个伺服作动器1、2(3、4)伸长相应的长度；
绕Z轴的转动的实现：
由附图1可以看出由控制系统控制脚踝康复机器人实现绕Z轴正转动时，四个液压伺服作动器1、2、3、4(3、4、10、11)缩短到所需长度；同样的实现绕Z轴负转动时四个液压伺服作动器1、2、3、4(3、4、10、11)伸长到所需长度。

Claims (4)

1.一种基于三自由度并联机构的脚踝康复机器人，其特征在于：该机器人包括机械部分和运动控制系统，其中
机械部分包括：脚踝康复机器人下平台(1)、四套伺服作动器和与之匹配的伺服阀、脚踝康复机器人动平台(8)、四套连接伺服作动器与脚踝康复机器人下平台的下铰链(2)、四套连接伺服作动器与脚踝康复机器人动平台的上铰链(9)、固定在脚踝康复机器人下平台上的限位杆(5)、连接限位杆与脚踝康复机器人动平台的球铰(6)、一套固定在动平台上大小可以调节的脚部固定装置(7)，通过所述机械部分的运动，实现脚踝关节三个转动自由度。
运动控制系统用于通过并联机器人控制技术控制四套伺服作动器协同工作，以实现脚踝康复机器人动平台的三个旋转自由度，记录医生使用该机器人对病人康复时的脚踝康复运动轨迹，并再现录入的康复运动轨迹，将康复过程自动施加到脚踝关节。
2.根据权利要求1所述的冗余驱动三自由度脚踝康复机器人，其特征在于：所述机械部分具有三个绕水平向转动的自由度，液压伺服作动器数目为3-4个。
3.根据权利要求1-2任一项所述的冗余驱动三自由度脚踝康复机器人，其特征在于：所述伺服作动器是液压伺服作动器、气动伺服作动器或者电动伺服作动器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的冗余驱动三自由度脚踝康复机器人，其中伺服作动器与上、下平台的连接点都以限位杆为中心呈中心对称布置，各个伺服作动器均不和限位杆(5)在同一个平面内。
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