CN109568086A - 一种完全各向同性踝关节康复并联机器人 - Google Patents
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Abstract
一种完全各向同性踝关节康复并联机器人，包括机架、脚部固定装置、腿部固定装置以及并联机构，所述的腿部固定装置安装在机架上，脚部固定装置安装在动平台上，并联机构为二自由度纯转动并联机构，包括独立运动的第一分支和第二分支分支。第一分支为混合链，其末端与支撑框直接相连，第二分支为单开链，其末端与动平台直接相连，由相应的伺服电机驱动第一分支，控制踝关节外翻和内翻的康复训练运动，由相应的伺服电机驱动第二分支，控制踝关节背伸和跖屈的康复训练运动。该踝关节康复机器人的两条分支之间运动相互独立，其速度雅可比矩阵为单位阵，具有完全各向同性的运动学特性和良好的实用性。
Description
技术领域
本发明属于康复机器人领域，具体涉及一种完全各向同性踝关节康复并联机器人。
背景技术
踝关节是人体中至关重要的活动关节，承担着人体的自重以及协调人体活动的功能。由于人类老龄化现象的加剧，踝关节的损伤比例逐年增加；另外在体育运动过程中，由于运动强度的加大，也会容易导致踝关节的损伤。踝关节受伤后恢复过程较慢，需要对其进行长时间的康复训练，为了达到较好的医疗效果以及减轻医护人员的工作负担，可以采用踝关节康复训练机器人帮助患者进行康复训练。
目前的踝关节康复训练机器人大多数采用并联机构作为训练执行器，具有承载能力强、结构稳定等特性，如申请号分别为CN201420512037.8、CN201620740097.4并联式踝关节康复机器人的中国实用新型专利。但是，对于一般并联式踝关节康复机器人，其运动学和动力学解耦性差，运动轨迹控制困难，影响了机器的应用推广和康复训练效果。
发明内容
本发明的目的是设计一种完全各向同性踝关节康复并联机器人，解决现有踝关节康复训练装置中存在的运动学和动力学解耦性差的问题，从而提高踝关节康复机器人控制便利性和康复训练效果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种完全各向同性踝关节康复并联机器人，包括机架、脚部固定装置、腿部固定装置以及与脚部固定装置相连的并联机构，所述的并联机构为二自由度纯转动并联机构，包括独立运动的第一分支和第二分支；
所述第一分支包括第一转动副、第一万向铰、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副、第六转动副、第七转动副和第八转动副，所述第一万向铰的一端通过第一连杆连接第一转动副、第一万向铰另一端通过第二连杆连接第二转动副，且第一万向铰中与第一连杆相连一端的转轴平行于第一转动副轴线，第一万向铰中与第二连杆相连一端的转轴平行于第二转动副轴线，第二转动副和第三转动副的轴线平行，且由第三连杆相连，第三转动副和第四转动副的轴线垂直，且由第四连杆相连，第四转动副、第五转动副、第六转动副、第七转动副和第八转动副均安装于支撑架上，且第五转动副和第六转动副的轴线共线并与第四转动副的轴线平行，第七转动副和第八转动副轴线共线并与第六转动副的轴线垂直；
与所述脚部固定装置连接的动平台的两端分别和第七转动副以及第八转动副连接；
第二分支由第九转动副、第二万向铰、第十转动副、第三万向铰以及多个连杆组成，所述第二万向铰的一端通过第五连杆连接第九转动副，第二万向铰另一端通过第六连杆连接第十转动副，且第二万向铰中与第五连杆相连一端的转轴和第九转动副轴线平行、第二万向铰中与第六连杆相连一端的转轴和第十转动副轴线平行，第十转动副和第三万向铰的一端由第七连杆连接，第三万向铰另一端安装在所述动平台上，第三万向铰中与第七连杆相连一端的转轴和所述第十转动副轴线平行；
所述第一分支的第一转动副、第五转动副、第六转动副和第二分支的第九转动副均安装在所述机架上，且第一转动副、第五转动副和第九转动副的轴线两两互相垂直；所述第七转动副轴线和第三万向铰中与动平台相连一端的转轴平行；
所述第一分支以第一转动副为主动输入，控制踝关节外翻和内翻的康复训练运动；所述第二分支以第九转动副为主动输入，控制踝关节背伸和跖屈的康复训练运动。
所述脚部固定装置包括脚踏板和脚部固定带，脚踏板安装在所述的动平台上，随动平台转动，所述脚部固定带安装在脚踏板上，以固定脚部。
本发明还包括调节装置，所述调节装置包括螺柱、锁紧导杆、法兰盘、锁紧环、弹簧和螺母，螺柱一端与脚踏板固接，另一端穿过弹簧和动平台与螺母配合，锁紧导杆一端与脚踏板固接，另一端通过法兰盘上的锁紧环将脚踏板与动平台固定。
所述脚踏板上设有凹槽，以安装康复鞋。
所述腿部固定装置设有两组，分别从相垂直的两个方向对腿部进行固定，两组结构相同，均包括固定架和固定架顶部的腿部固定带。
所述固定架包括固定杆和伸缩杆，固定杆固定在机架侧面，且为空心结构，伸缩杆下部活动套设在固定杆内部，并由锁止机构固定伸缩杆的高度。
所述锁止机构由伸缩杆上设置的弹簧销以及固定杆上设置的多个销孔配合组成。
所述第一分支实现踝关节内翻的运动角度不大于40°，外翻的运动角度不大于15°；所述第二分支实现踝关节背伸的运动角度为不大于30°，跖屈的运动角度为不大于50°。
所述第五转动副轴线和第七转动副轴线位于同一平面内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明设计了一种两转动踝关节康复并联机器人，所述并联机器人含有两条分支运动链，其中一条分支为混合链，独立控制了踝关节内翻和外翻的康复训练运动，第二条分支为单开链，单独控制了踝关节背伸和跖屈的康复训练运动。该踝关节康复机器人的两条分支之间运动相互独立，其速度雅可比矩阵为单位阵，具有完全各向同性的运动学特性，控制设计简单。另外，该机器人的转动中心可以根据不同的患者进行调节，实现左右两个脚踝分别康复，同时增加了腿部固定装置，更具有实用性。
附图说明
图1为本发明所述的一种完全各向同性踝关节康复并联机器人整体结构示意图；
图2为本发明所述的并联机构的结构示意图；
图3为本发明所述的脚部固定装置结构示意图；
图4为本发明所述的调节装置结构示意图。
附图标记：1.机架、2.固定杆、3.伸缩杆、4.腿部固定带、5.控制面板、6.支撑架、7.脚踏板、8脚部固定带、9.康复鞋、10.伺服电机Ⅰ、11.伺服电机Ⅱ、12.动平台、13.螺母、14.锁紧环、15.法兰盘、16.弹簧、17.锁紧导杆、18.螺柱；
L1、第一分支，L2、第二分支；
R1、第一转动副，R2、第二转动副，R3、第三转动副，R4、第四转动副，R5、第五转动副，R6、第六转动副，R7、第七转动副，R8、第八转动副，R9、第九转动副，R10、第十转动副；
Ⅰ-1、第一连杆，Ⅰ-2、第二连杆，Ⅰ-3、第三连杆，Ⅰ-4、第四连杆，Ⅰ-5、第五连杆，Ⅰ-6、第六连杆，Ⅰ-7、第七连杆；
U1、第一万向铰，U2、第二万向铰，U3、第三万向铰。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体的实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明所述的一种完全各向同性踝关节康复并联机器人主要包括机架1、二自由度纯转动并联机构、脚部固定装置、调节装置和腿部固定装置。所述机架1为箱式结构，其中二自由度纯转动并联机构安装在机架1内部，机架1的顶部开口，用以将安装在二自由度纯转动并联机构上的脚部固定装置露出，供患者将需要康复训练的脚通过该开口固定在脚部固定装置上，进行踝关节的康复训练，所述腿部固定装置安装在机架1的外侧，在脚部固定的同时，将腿部进行固定，以便于踝关节的康复训练。在所述开口的一侧设有控制面板5，控制面板5下方连接控制器，控制器和驱动机构相连，对二自由度纯转动并联机构的动作进行控制，实现踝关节的康复训练。
所述的二自由度纯转动并联机构包含第一分支L1和第二分支L2两个独立运动的分支，其中，第一分支L1为混合链，主要由第一转动副R1、第一万向铰U1、第二转动副R2、第三转动副R3、第四转动副R4、第五转动副R5、第六转动副R6、第七转动副R7、第八转动副R8组成，其中第一转动副R1和第一万向铰U1的一端通过第一连杆Ⅰ-1相连，且第一万向铰U1中与第一连杆Ⅰ-1相连一端的转轴U1-1平行于第一转动副R1轴线，第一万向铰U1的另一端和第二转动副R2通过第二连杆Ⅰ-2相连，且第一万向铰U1中与第二连杆Ⅰ-2相连一端的转轴U1-2平行于第二转动副R2轴线，第二转动副R2和第三转动副R3的轴线平行，且由第三连杆Ⅰ-3相连，第三转动副R3和第四转动副R4的轴线垂直，且由第四连杆Ⅰ-4相连，第四转动副R4、第五转动副R5、第六转动副R6、第七转动副R7和第八转动副R8均安装于支撑架6上，且第五转动副R5和第六转动副R6的轴线共线并与第四转动副R4的轴线平行，第七转动副R7和第八转动副R8的轴线共线并与第六转动副R6的轴线垂直，而且作为优选，第五转动副R5轴线和第七转动副R7轴线位于同一平面内。
所述的第二分支L2为单开链，由第九转动副R9、第二万向铰U2、第十转动副R10和第三万向铰U3以及多个连杆组成，所述第二万向铰U2的一端通过第五连杆Ⅰ-5连接第九转动副R9，第二万向铰U2另一端通过第六连杆Ⅰ-6连接第十转动副R10，且第二万向铰U2中与第五连杆Ⅰ-5相连一端的转轴U2-1和第九转动副R9轴线平行、第二万向铰U2中与第六连杆Ⅰ-6相连一端的另一转轴U2-2和第十转动副R10轴线平行，第十转动副R10和第三万向铰U3的一端通过第七连杆Ⅰ-7连接，第三万向铰U3另一端安装在所述动平台12上，第三万向铰U3中与第七连杆Ⅰ-7相连一端的转轴U3-1和所述第十转动副R10轴线平行。
所述第一分支L1的第一转动副R1、第五转动副R5、第六转动副R6和第二分支L2的第九转动副R9安装于机架1上，且三者的轴线两两互相垂直，所述第一分支L1的第七转动副R7、第八转动副R8和第二分支L2的第三万向铰U3安装于动平台12上，且第一分支L1的第七转动副R7轴线与第二分支中第三万向铰U3连接动平台12的第二转轴U3-2相互平行。
所述二自由度纯转动并联机构由两个伺服电机分别对两条分支提供驱动，其中伺服电机Ⅰ10和第一分支L1的第一转动副R1连接，通过控制伺服电机Ⅰ10的正转或反转以及不同的转动角度，可以控制脚踏板7实现对踝关节的外翻和内翻的康复训练，使内翻的最大运动角度达到35°-40°，外翻的最大运动角度达到15°，以符合踝关节生理活动角度，且可以根据使用者康复情况进行角度的控制。
伺服电机Ⅱ11和第二分支L2第九转动副R9连接，通过伺服电机Ⅱ11的正反转以及不同的转动角度驱动第二分支L2的运转，控制脚踏板7实现对踝关节背伸和跖屈的康复训练，使背伸的最大运动角度达到25°-30°，跖屈的最大运动角度达到40°-50°，该角度符合人体踝关节生理活动角度，且可以根据使用者康复情况进行角度的控制。另外，通过控制面板5和所连接的控制器还可以控制脚踏板7的运动速度以及机器人工作的时间等。
所述的脚部固定装置由脚踏板7、脚部固定带8、康复鞋9组成，脚踏板7安装在所述的动平台12上，随动平台12转动，所述脚部固定带8安装在脚踏板7上，以固定脚部，康复鞋9成对设计，且有不同大小，每次使用根据需要选择适合的康复鞋9，并由螺钉将康复鞋9固定在脚踏板7上，作为优选，脚踏板7上还设有凹槽，以安装康复鞋9，所述的康复鞋9可采用木材制成，也可以采用塑料等其他材料制作，或者也可以在使用时不用康复鞋9，患者用自己的鞋踩在脚踏板7上进行固定即可。
作为优选，本发明还设有调节装置，调节装置由螺柱18、锁紧导杆17、法兰盘15、锁紧环14、弹簧16、螺母13组成，本例中，螺母采用蝶形螺母。其中，螺柱18一端与脚踏板7固接，另一端穿过弹簧16和动平台12与螺母13配合，而且螺柱18设为两根，锁紧导杆17位于两螺柱18之间，锁紧导杆17一端与脚踏板7固接，另一端通过法兰盘15上的锁紧环14将脚踏板7与动平台12连接在一起，通过调节螺母13可以改变脚踏板7的位置，从而调节所述并联机构转动中心点的位置。
所述腿部固定装置设有两组，分别从相垂直的两个方向对腿部进行固定，两组结构相同，均包括固定架和固定架顶部的腿部固定带4。所述固定架包括固定杆2和伸缩杆3，固定杆2固定在机架1侧面，且为空心结构，伸缩杆3下部活动套设在固定杆2内部，并由锁止机构固定伸缩杆3的高度。所述锁止机构由伸缩杆3上设置的弹簧销以及固定杆2上设置的多个销孔配合组成。
所述脚部固定带8以及腿部固定带4可以采用粘带或绳子等柔性固定结构，本例中优选为粘带。
使用时，首先根据踝关节患者自身的情况，选用适合的康复鞋9，然后患者穿上该鞋子并用鞋子上的两条粘带对脚部进行固定，并通过螺钉把该康复鞋9固定在脚踏板7凹槽内，最后根据自身情况，调整好伸缩杆的高度，用腿部固定装置中的粘带将腿部进行固定。通过控制面板启动所需要的使用的伺服电机，即可对踝关节进行康复训练。
Claims (9)
1.一种完全各向同性踝关节康复并联机器人，其特征在于：包括机架、脚部固定装置、腿部固定装置以及与脚部固定装置相连的并联机构，所述的并联机构为二自由度纯转动并联机构，包括独立运动的第一分支和第二分支；
所述第一分支包括第一转动副、第一万向铰、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副、第六转动副、第七转动副和第八转动副，所述第一万向铰的一端通过第一连杆连接第一转动副、第一万向铰另一端通过第二连杆连接第二转动副，且第一万向铰中与第一连杆相连一端的转轴平行于第一转动副轴线，第一万向铰中与第二连杆相连一端的转轴平行于第二转动副轴线，第二转动副和第三转动副的轴线平行，且由第三连杆相连，第三转动副和第四转动副的轴线垂直，且由第四连杆相连，第四转动副、第五转动副、第六转动副、第七转动副和第八转动副均安装于支撑架上，且第五转动副和第六转动副的轴线共线并与第四转动副的轴线平行，第七转动副和第八转动副轴线共线并与第六转动副的轴线垂直；
与所述脚部固定装置连接的动平台的两端分别和第七转动副以及第八转动副连接；
第二分支由第九转动副、第二万向铰、第十转动副、第三万向铰以及多个连杆组成，所述第二万向铰的一端通过第五连杆连接第九转动副，第二万向铰另一端通过第六连杆连接第十转动副，且第二万向铰中与第五连杆相连一端的转轴和第九转动副轴线平行、第二万向铰中与第六连杆相连一端的转轴和第十转动副轴线平行，第十转动副和第三万向铰的一端由第七连杆连接，第三万向铰另一端安装在所述动平台上，第三万向铰中与第七连杆相连一端的转轴和所述第十转动副轴线平行；
所述第一分支的第一转动副、第五转动副、第六转动副和第二分支的第九转动副均安装在所述机架上，且第一转动副、第五转动副和第九转动副的轴线两两互相垂直；所述第七转动副轴线和第三万向铰中与动平台相连一端的转轴平行；
所述第一分支以第一转动副为主动副，控制踝关节外翻和内翻的康复训练运动；所述第二分支以第九转动副为主动副，控制踝关节背伸和跖屈的康复训练运动。
2.根据权利要求1所述的一种完全各向同性踝关节康复并联机器人，其特征在于：所述脚部固定装置包括脚踏板和脚部固定带，脚踏板安装在所述的动平台上，随动平台转动，所述脚部固定带安装在脚踏板上，以固定脚部。
3.根据权利要求2所述的一种完全各向同性踝关节康复并联机器人，其特征在于：还包括调节装置，所述调节装置包括螺柱、锁紧导杆、法兰盘、锁紧环、弹簧和螺母，螺柱一端与脚踏板固接，另一端穿过弹簧和动平台与螺母配合，锁紧导杆一端与脚踏板固接，另一端通过法兰盘上的锁紧环将脚踏板与动平台固定。
4.根据权利要求2或3所述的一种完全各向同性踝关节康复并联机器人，其特征在于：所述脚踏板上设有凹槽，以安装康复鞋。
5.根据权利要求1所述的一种完全各向同性踝关节康复并联机器人，其特征在于：所述腿部固定装置设有两组，分别从相垂直的两个方向对腿部进行固定，两组结构相同，均包括固定架和固定架顶部的腿部固定带。
6.根据权利要求5所述的一种完全各向同性踝关节康复并联机器人，其特征在于：所述固定架包括固定杆和伸缩杆，固定杆固定在机架侧面，且为空心结构，伸缩杆下部活动套设在固定杆内部，并由锁止机构固定伸缩杆的高度。
7.根据权利要求6所述的一种完全各向同性踝关节康复并联机器人，其特征在于：所述锁止机构由伸缩杆上设置的弹簧销以及固定杆上设置的多个销孔配合组成。
8.根据权利要求1所述的一种完全各向同性踝关节康复并联机器人，其特征在于：所述第一分支实现踝关节内翻的运动角度不大于40°，外翻的运动角度不大于15°；所述第二分支实现踝关节背伸的运动角度为不大于30°，跖屈的运动角度为不大于50°。
9.根据权利要求1所述的一种完全各向同性踝关节康复并联机器人，其特征在于：所述第五转动副轴线和第七转动副轴线位于同一平面内。
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