CN110434839B - 一种含子闭环的四自由度广义球面并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含子闭环的四自由度广义球面并联机构，包括一号闭环支链、二号支链、三号支链、静平台和动平台；该并联机构具有一个动球心和一个定球心，在并联机构运动过程中定球心固定，动球心绕定球心转动，两者之间的距离不变。将本并联机构应用于康复机器人踝关节的设计中，可以提高康复机器人与踝关节的拟合程度，增强人机交互性能，增加康复机器人的使用舒适性。

Description

一种含子闭环的四自由度广义球面并联机构

技术领域

本发明涉及机械工程领域，具体涉及一种含子闭环的四自由度广义球面并联机构。

背景技术

随着医疗康复领域与机器人领域的不断发展，人们对医疗康复型机械的使用舒适性和人机交互性能有了更高的要求。但现有的康复机器人，如基于球面机构的关节康复机器人，普遍存在人机交互性差、与人体关节的拟合程度低等问题。

人体踝关节包括胫骨、腓骨、距骨、舟骨与跟骨，对踝关节运动起主要作用的是胫骨、距骨和跟骨，胫骨与距骨之间的运动可视为球面副，距骨与跟骨之间的运动也可视为球面副，而且两个球面副的转动中心之间存在一定距离。目前，在康复机器人踝关节的设计中普遍将踝关节运动视为标准球面运动，如果简单地将胫骨与跟骨之间的运动视为标准球面运动，忽略距骨的存在，将导致人机交互不协调、拟合程度差等问题。例如灵巧眼机构为三支链球面并联机构，具有三个自由度，该机构具有一个与人体踝关节中心重合的固定运动球心，但由于踝关节实际运动并不是标准球面运动，故拟合效果较差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种含子闭环的四自由度广义球面并联机构。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种含子闭环的四自由度广义球面并联机构，包括一号闭环支链、二号支链、三号支链、静平台和动平台；

所述一号闭环支链包括闭环支链一号连杆、闭环支链二号连杆、闭环支链三号连杆、闭环支链四号连杆、闭环支链五号连杆、闭环支链六号连杆和闭环支链七号连杆；二号支链包括二号支链一号连杆、二号支链二号连杆、二号支链三号连杆和二号支链四号连杆；三号支链包括三号支链一号连杆、三号支链二号连杆、三号支链三号连杆和三号支链四号连杆；

所述静平台上具有呈圆周均匀排布的静平台一号铰支座、静平台二号铰支座、静平台三号铰支座和静平台四号铰支座，四个铰支座的铰接孔的中心轴线汇交于点M；

所述动平台上具有呈圆周均匀排布的动平台一号铰支座、动平台二号铰支座和动平台三号铰支座，三个铰支座的铰接孔的中心轴线汇交于点N；

所述动平台一号铰支座与闭环支链七号连杆的上端铰接形成转动副C1，闭环支链七号连杆的下端分别与闭环支链三号连杆的上端和闭环支链六号连杆的上端铰接形成转动副D1；闭环支链六号连杆的下端与闭环支链五号连杆的上端铰接形成转动副E1，闭环支链五号连杆的下端与闭环支链四号连杆的上端铰接形成转动副F1，闭环支链四号连杆的下端与静平台一号铰支座铰接形成转动副G1；闭环支链三号连杆的下端与闭环支链二号连杆的上端铰接形成转动副E11，闭环支链二号连杆的下端与闭环支链一号连杆的上端铰接形成转动副F11，闭环支链一号连杆的下端与静平台四号铰支座铰接形成转动副G11；

所述动平台二号铰支座与二号支链四号连杆的上端铰接形成转动副C2，二号支链四号连杆的下端与二号支链三号连杆的上端铰接形成转动副D2；二号支链三号连杆的下端与二号支链二号连杆的上端铰接形成转动副E2，二号支链二号连杆的下端与二号支链一号连杆的上端铰接形成转动副F2，二号支链一号连杆的下端与静平台二号铰支座铰接形成转动副G2；

所述动平台三号铰支座与三号支链四号连杆的上端铰接转动副C3，三号支链四号连杆的下端与三号支链三号连杆的上端铰接形成转动副D3；三号支链三号连杆的下端与三号支链二号连杆的上端铰接形成转动副E3，三号支链二号连杆的下端与三号支链一号连杆的上端铰接形成转动副F3，三号支链一号连杆的下端与静平台三号支座铰接形成转动副G3；

上述转动副C1、C2、C3、D1、D2、D3、E1和E11的回转轴线汇交于一点，该点为并联机构的动球心且与点N重合；转动副E2、E3、F1、F2、F3、G1、G2、G3、F11和G11的回转轴线汇交于一点，该点为并联机构的定球心且与点M重合，在并联机构运动过程中点M固定，点N绕点M转动，两者之间的距离不变。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提出了一种关于并联机构的新的设计思想，为新型康复机器人的踝关节设计提供重要的理论依据；即本发明提出了两端孔的轴线在空间内不一定相交但具有两个广义球心的广义球面连杆，在同一并联机构中所有广义球面连杆的两个广义球心的连线始终完全重合且距离相等。

2)本发明的并联机构能用于康复机器人的踝关节设计，闭环支链一号连杆与闭环支链四号连杆的输入角度控制点N绕点M的球面运动，具有2个自由度，主要拟合踝关节胫骨与距骨之间的相对运动；二号支链一号连杆、三号支链一号连杆的输入角度控制动平台绕点N的球面运动，具有2个自由度，主要拟合踝关节距骨与跟骨之间的相对运动；本发明灵巧性高，对人体踝关节运动的拟合更为精确、合理，拟合程度更高；相较于普通的三自由度并联球面连杆机构，本发明可以大幅度削弱人机拟合过程中存在的人机交互力，从并联机构的构型上解决了传统的三自由度并联球面连杆机构拟合踝关节运动交互性能差的问题。

3)与现有座椅式外骨骼和弹簧助力支撑外骨骼相比，安装本并联机构的下肢康复机器人具有更强的适应性，各关节的自由度更加符合人体关节的真实运动，对人体起到稳定支撑作用；而且本发明结构简单，容易实现。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的一号闭环支链的结构示意图；

图3为本发明二号支链与三号支链的结构示意图；

1、一号闭环支链；101、闭环支链一号连杆；102、闭环支链二号连杆；103、闭环支链三号连杆；104、闭环支链四号连杆；105、闭环支链五号连杆；106、闭环支链六号连杆；107、闭环支链七号连杆；

2、二号支链；21、二号支链一号连杆；22、二号支链二号连杆；23、二号支链三号连杆；24、二号支链四号连杆；

3、三号支链；31、三号支链一号连杆；32、三号支链二号连杆；33、三号支链三号连杆；34、三号支链四号连杆；

4、静平台；41、静平台一号铰支座；42、静平台二号铰支座；43、静平台三号铰支座；44、静平台四号铰支座；

5、动平台；51、动平台一号铰支座；52、动平台二号铰支座；53、动平台三号铰支座；

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请的保护范围。

本发明提供了一种含子闭环的四自由度广义球面并联机构(简称并联机构，参见图1-3)，包括一号闭环支链1、二号支链2、三号支链3、静平台4和动平台5；

所述一号闭环支链1包括闭环支链一号连杆101、闭环支链二号连杆102、闭环支链三号连杆103、闭环支链四号连杆104、闭环支链五号连杆105、闭环支链六号连杆106和闭环支链七号连杆107；二号支链2包括二号支链一号连杆21、二号支链二号连杆22、二号支链三号连杆23和二号支链四号连杆24；三号支链3包括三号支链一号连杆31、三号支链二号连杆32、三号支链三号连杆33和三号支链四号连杆34；

所述静平台4上具有呈圆周均匀排布的静平台一号铰支座41、静平台二号铰支座42、静平台三号铰支座43和静平台四号铰支座44，四个铰支座的铰接孔的中心轴线汇交于点M；

所述动平台5上具有呈圆周均匀排布的动平台一号铰支座51、动平台二号铰支座52和动平台三号铰支座53，三个铰支座的铰接孔的中心轴线汇交于点N；

所述动平台一号铰支座51与闭环支链七号连杆107的上端铰接形成转动副C1，闭环支链七号连杆107的下端分别与闭环支链三号连杆103的上端和闭环支链六号连杆106的上端铰接形成转动副D1；闭环支链六号连杆106的下端与闭环支链五号连杆105的上端铰接形成转动副E1，闭环支链五号连杆105的下端与闭环支链四号连杆104的上端铰接形成转动副F1，闭环支链四号连杆104的下端与静平台一号铰支座41铰接形成转动副G1；闭环支链三号连杆103的下端与闭环支链二号连杆102的上端铰接形成转动副E11，闭环支链二号连杆102的下端与闭环支链一号连杆101的上端铰接形成转动副F11，闭环支链一号连杆101的下端与静平台四号铰支座44铰接形成转动副G11；

所述动平台二号铰支座52与二号支链四号连杆24的上端铰接形成转动副C2，二号支链四号连杆24的下端与二号支链三号连杆23的上端铰接形成转动副D2；二号支链三号连杆23的下端与二号支链二号连杆22的上端铰接形成转动副E2，二号支链二号连杆22的下端与二号支链一号连杆21的上端铰接形成转动副F2，二号支链一号连杆21的下端与静平台二号铰支座42铰接形成转动副G2；

所述动平台三号铰支座53与三号支链四号连杆34的上端铰接转动副C3，三号支链四号连杆34的下端与三号支链三号连杆33的上端铰接形成转动副D3；三号支链三号连杆33的下端与三号支链二号连杆32的上端铰接形成转动副E3，三号支链二号连杆32的下端与三号支链一号连杆31的上端铰接形成转动副F3，三号支链一号连杆31的下端与静平台三号支座43铰接形成转动副G3；

上述转动副C1、C2、C3、D1、D2、D3、E1和E11的回转轴线汇交于一点，该点为并联机构的动球心且与点N重合；转动副E2、E3、F1、F2、F3、G1、G2、G3、F11和G11的回转轴线汇交于一点，该点为并联机构的定球心且与点M重合；在并联机构运动过程中点M固定，点N绕点M转动，两者之间的距离不变，在并联机构的实际应用中点M与点N之间的距离可以灵活设计；

所述静平台4、闭环支链一号连杆101、闭环支链四号连杆104、闭环支链二号连杆102与闭环支链五号连杆105共同组成自由度为2的球面五杆机构；静平台4、二号支链一号连杆21、二号支链二号连杆22与二号支链三号连杆23共同组成一个自由度为1的球面四杆机构，静平台4、三号支链一号连杆31、三号支链二号连杆32与三号支链三号连杆33共同组成另一个自由度为1的球面四杆机构，因此并联机构可视为动平台5绕点N做自由度为2的球面运动，点N绕点M做自由度为2的球面运动。

所述并联机构的三条支链均由A型连杆和B型连杆构成，二号支链2和三号支链3均为ABAA型支链，共同实现动平台5绕点N的运动；其中，二号支链一号连杆21为A型连杆，二号支链二号连杆22为A型连杆，二号支链三号连杆23为B型连杆，二号支链四号连杆24为A型连杆；三号支链一号连杆31为A型连杆，三号支链二号连杆32为A型连杆，三号支链三号连杆33为B型连杆，三号支链四号连杆34为A型连杆；一号闭环支链1为A-2ABA闭环支链，实现点N绕点M的运动；其中，闭环支链一号连杆101为A型连杆，闭环支链二号连杆102为B型连杆，闭环支链三号连杆103为A型连杆，闭环支链四号连杆104为A型连杆，闭环支链五号连杆105为B型连杆，闭环支链六号连杆106为A型连杆，闭环支链七号连杆107为A型连杆；静平台4和动平台5均可视为A型连杆；

所述A型连杆为球面连杆，两端孔的轴线相交于一点；B型连杆为广义球面连杆，一端孔的轴线上具有B杆定球心，另一端孔的轴线上具有B杆动球心，因此B型连杆在并联机构中可视为双球心球面连杆；B型连杆的B杆定球心与B杆动球心连成的线段为“双心线段”，“双心线段”的长度为“双心距”，整个并联机构中的所有B型连杆的“双心距”均相等，且在并联机构运动过程中所有B型连杆的“双心线段”始终完全重合，即所有B杆定球心重合形成并联机构的定球心(点M)，所有B杆动球心重合形成并联机构的动球心(点N)；

该并联机构能用于康复机器人踝关节的设计中，根据使用者距骨的参数，确定使用者胫骨与距骨之间的平均相对转动球心和距骨与跟骨之间的平均相对转动球心的位置，使并联机构的动球心(点N)始终与使用者距骨和跟骨的平均相对转动球心重合，并联机构的定球心(点M)始终与使用者胫骨和距骨的平均相对转动球心重合，即确定并联机构的定球心(点M)和动球心(点N)的空间位置和距离，实现并联机构与人体踝关节运动的充分拟合。

本发明的工作原理和工作流程是：

闭环支链一号连杆101、闭环支链四号连杆104、二号支链一号连杆21、三号支链一号连杆31为并联机构的四个原动件，四者相对与静平台4的四个旋转角度即为该并联机构的输入量，即并联机构的四个自由度；

闭环支链一号连杆101与闭环支链四号连杆104分别带动闭环支链二号连杆102和闭环支链五号连杆105转动，由于静平台4、闭环支链一号连杆101与闭环支链四号连杆104均为A型连杆，使均为B型连杆的闭环支链二号连杆102与闭环支链五号连杆105的B杆定球心与点M重合；由于并联机构的所有B型连杆的“双心距”相等，且闭环支链三号连杆103与闭环支链六号连杆106均为A型连杆，使均为B型连杆的闭环支链二号连杆102与闭环支链五号连杆105的B杆动球心与点N重合，此时闭环支链二号连杆102与闭环支链五号连杆105的运动即为绕MN的转动；静平台4、闭环支链一号连杆101、闭环支链四号连杆104、闭环支链二号连杆102与闭环支链五号连杆105共同组成自由度为2的球面五杆机构，闭环支链一号连杆101与闭环支链四号连杆104的输入角度决定了点M与点N在空间中的位置；

二号支链一号连杆21、二号支链二号连杆22、三号支链一号连杆31、三号支链二号连杆32均为A型连杆，使均为B型连杆的二号支链三号连杆23、三号支链三号连杆33、闭环支链二号连杆102和闭环支链五号连杆105的B杆定球心与点M重合；二号支链四号连杆24、三号支链四号连杆34与动平台5均为A型连杆，使均为B型连杆的二号支链三号连杆23、三号支链三号连杆33、闭环支链二号连杆102与闭环支链五号连杆105的B杆动球心与点N重合；静平台4、二号支链一号连杆21、二号支链二号连杆22与二号支链三号连杆23共同组成一个球面四杆机构，静平台4、三号支链一号连杆31、三号支链二号连杆32与三号支链三号连杆33共同组成另一个球面四杆机构，两个四杆机构均具有1个自由度，即二号支链一号连杆21与三号支链一号连杆31分别通过二号支链二号连杆22与三号支链二号连杆32带动二号支链三号连杆23与三号支链三号连杆33绕线段MN的转动；二号支链三号连杆23与三号支链三号连杆33分别通过二号支链四号连杆24与三号支链四号连杆34在闭环支链七号连杆107的限制下，带动动平台5绕点N做自由度为2的球面运动。

Claims (2)

1.一种含子闭环的四自由度广义球面并联机构的应用，其特征在于，并联机构包括一号闭环支链、二号支链、三号支链、静平台和动平台；

所述一号闭环支链包括闭环支链一号连杆、闭环支链二号连杆、闭环支链三号连杆、闭环支链四号连杆、闭环支链五号连杆、闭环支链六号连杆和闭环支链七号连杆；二号支链包括二号支链一号连杆、二号支链二号连杆、二号支链三号连杆和二号支链四号连杆；三号支链包括三号支链一号连杆、三号支链二号连杆、三号支链三号连杆和三号支链四号连杆；

所述静平台上具有呈圆周均匀排布的静平台一号铰支座、静平台二号铰支座、静平台三号铰支座和静平台四号铰支座，四个铰支座的铰接孔的中心轴线汇交于点M；

所述动平台上具有呈圆周均匀排布的动平台一号铰支座、动平台二号铰支座和动平台三号铰支座，三个铰支座的铰接孔的中心轴线汇交于点N；

所述动平台一号铰支座与闭环支链七号连杆的上端铰接形成转动副C1，闭环支链七号连杆的下端分别与闭环支链三号连杆的上端和闭环支链六号连杆的上端铰接形成转动副D1；闭环支链六号连杆的下端与闭环支链五号连杆的上端铰接形成转动副E1，闭环支链五号连杆的下端与闭环支链四号连杆的上端铰接形成转动副F1，闭环支链四号连杆的下端与静平台一号铰支座铰接形成转动副G1；闭环支链三号连杆的下端与闭环支链二号连杆的上端铰接形成转动副E11，闭环支链二号连杆的下端与闭环支链一号连杆的上端铰接形成转动副F11，闭环支链一号连杆的下端与静平台四号铰支座铰接形成转动副G11；

所述动平台二号铰支座与二号支链四号连杆的上端铰接形成转动副C2，二号支链四号连杆的下端与二号支链三号连杆的上端铰接形成转动副D2；二号支链三号连杆的下端与二号支链二号连杆的上端铰接形成转动副E2，二号支链二号连杆的下端与二号支链一号连杆的上端铰接形成转动副F2，二号支链一号连杆的下端与静平台二号铰支座铰接形成转动副G2；

所述动平台三号铰支座与三号支链四号连杆的上端铰接转动副C3，三号支链四号连杆的下端与三号支链三号连杆的上端铰接形成转动副D3；三号支链三号连杆的下端与三号支链二号连杆的上端铰接形成转动副E3，三号支链二号连杆的下端与三号支链一号连杆的上端铰接形成转动副F3，三号支链一号连杆的下端与静平台三号支座铰接形成转动副G3；

上述转动副C1、C2、C3、D1、D2、D3、E1和E11的回转轴线汇交于一点，该点为并联机构的动球心且与点N重合；转动副E2、E3、F1、F2、F3、G1、G2、G3、F11和G11的回转轴线汇交于一点，该点为并联机构的定球心且与点M重合，在并联机构运动过程中点M固定，点N绕点M转动，两者之间的距离不变；

当并联机构用于康复机器人的踝关节设计时，根据使用者距骨的参数，确定使用者胫骨与距骨之间的平均相对转动球心、距骨与跟骨之间的平均相对转动球心的位置，使并联机构的动球心始终与使用者距骨和跟骨的平均相对转动球心重合，并联机构的定球心始终与使用者胫骨和距骨的平均相对转动球心重合，即确定并联机构的定球心和动球心的空间位置和距离。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述静平台和动平台均为A型连杆；一号闭环支链、二号支链和三号支链均由A型连杆和B型连杆构成；闭环支链一号连杆、闭环支链三号连杆、闭环支链四号连杆、闭环支链六号连杆和闭环支链七号连杆均为A型连杆，闭环支链二号连杆和闭环支链五号连杆均为B型连杆；二号支链一号连杆、二号支链二号连杆和二号支链四号连杆均为A型连杆，二号支链三号连杆为B型连杆；三号支链一号连杆、三号支链二号连杆和三号支链四号连杆均为A型连杆，三号支链三号连杆为B型连杆；所述A型连杆为球面连杆，两端孔的轴线相交于一点；B型连杆为广义球面连杆，一端孔的轴线上具有B杆定球心，另一端孔的轴线上具有B杆动球心；在并联机构运动时所有B型连杆的B杆定球心完全与点M重合，所有B型连杆的B杆动球心完全与点N重合。