CN110559159A - 一种三自由度并联踝关节康复机构及其控制方法 - Google Patents
一种三自由度并联踝关节康复机构及其控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110559159A CN110559159A CN201910857155.XA CN201910857155A CN110559159A CN 110559159 A CN110559159 A CN 110559159A CN 201910857155 A CN201910857155 A CN 201910857155A CN 110559159 A CN110559159 A CN 110559159A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- platform
- encoder
- rope
- movable platform
- movable
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 title claims abstract description 63
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 210000000544 articulatio talocruralis Anatomy 0.000 title claims abstract description 18
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 58
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 50
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 18
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 15
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 13
- 210000003423 ankle Anatomy 0.000 claims description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 5
- 241001227561 Valgus Species 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 6
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009795 derivation Methods 0.000 abstract 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005034 decoration Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000009123 feedback regulation Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000013439 planning Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000009528 severe injury Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000017105 transposition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
- A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
- A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B19/00—Programme-control systems
- G05B19/02—Programme-control systems electric
- G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
- G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
- G05B19/0423—Input/output
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/50—Control means thereof
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Pain & Pain Management (AREA)
- Rehabilitation Therapy (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
Abstract
本发明公开了一种三自由度并联踝关节康复机构及其控制方法，包括如下步骤：1)建立平台机构，平台分为动平台和静平台，并在平台上分别建立动坐标系和静坐标系；2）通过运动学反解求出不同位姿对应的四根绳索的长度变化量；3）对所得到的四根绳索的长度变化量进行求导求出绳索的运动速度；4）由主控MCU控制步进电机连续运动带动绳索伸缩实现动平台欧拉角的输出，实现动平台在三个方向上的转动。本发明与现有技术相比，硬件结构简单，减少中间环节，可靠性高；且主控MCU采用STM32单片机，具有成本低、效益高、使用范围广的优点，且控制算法实现容易，同时使用反馈调节，增强了装置的安全性，具有较好的推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种三自由度并联踝关节康复机构及其控制方法，属于踝关节康复训练领域。
背景技术
传统的踝关节康复训练中，对于踝关节重度损伤的病人，需要专业的康复训练师对其进行相应的主被动训练，以帮助其损伤肌肉组织的修复，避免落下后遗症。
在上个世纪的工业发展中，绳驱动并联式机构主要应用在工业集装箱吊装上，其主要的研究内容是定位、工作空间及其整体刚度的分析。目前，绳索驱动并联机构已经成熟应用在许多工业工程领域，但是对于一些较为复杂的绳索驱动并联机构在理论分析及控制上仍然不够完善，潜在的应用领域还未开发。
并联机构的控制方式一般有两种：集中式控制和分布式控制。在集中式控制系统中，多采用一台高速高功能的微型计算机和相应的控制卡来实现全部控制功能的方式；在分布式控制系统中，多采用上位机、下位机两级计算机控制，下位机采用多台直接控制计算机实现对机器人机构的直接控制和驱动，其处理速度和功能要求较低，上位机多采用高性能计算机实现机器人机构的运动规划、监控、仿真等功能。上述两种方式都存在硬件成本高，结构复杂等问题；在软件方面也存在控制算法实现困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种三自由度并联踝关节康复机构及其控制方法，简化了硬件结构、减少了中间环节，提高了可靠性。
本发明中主要采用的技术方案为：
一种三自由度并联踝关节康复机构，包括基座、动平台、静平台和四个绳索驱动模块，其中，所述动平台包括转动底盘，两根垂直支架、U型支架、竖直转动连杆、第一编码器、第二编码器、第三编码器和脚踏板，所述两根垂直支架分别垂直对称设置在静平台的两侧，且与转动底盘固定连接，所述U型支架的两端分别通过轴与两根垂直支架的上端内侧面转动连接，且所述U型支架水平安装，所述竖直转动连杆下端与所述脚踏板固定连接，上端通过轴转动连接在U型支架的中间位置，所述脚踏板上开设有四个用于连接绳索的孔洞，且四个孔洞构成正方形；
所述静平台固定安装在基座上，且所述动平台通过光轴和四个所述绳索驱动模块与静平台连接，所述光轴的底端与轴承座配合，所述光轴的上端与动平台的转动底盘通过平键连接，所述转动底盘安装在静平台下方，所述轴承座通过螺钉连接在基座上，且位于转动底盘下方；
所述第一编码器安装在静平台上，且穿过静平台与光轴连接，所述第二编码器安装在垂直支架的上端外侧面，且与U型支架和垂直支架之间的连接轴连接；所述第三编码器安装在U型支架上，且与U型支架和竖直转动连杆之间的连接轴连接；所述第一编码器、第二编码器和第三编码器分别反馈动平台欧拉角，增加系统精度；
所述绳索驱动模块包括绳索、偏心导向轮、绳索拉力检测机构和步进电机，所述偏心导向轮安装在静平台上表面，且静平台在偏心导向轮安装位置中心处开有通孔，所述绳索拉力检测机构安装在基座上，且位于静平台下方，所述步进电机固定安装在基座上，所述绳索的一端连接脚踏板上的一个孔洞，另一端依次绕过偏心导向轮、通孔和绳索拉力检测机构后与步进电机的输出轴连接。
优选地，四个所述绳索驱动模块的偏心导向轮均安装在静平台上表面，且四个偏心导向轮位于一条直线上。
优选地，所述绳索拉力检测机构包括H形固定架、压力传感器、导向轮和弹簧片，所述H型固定架固定安装在基座上，所述压力传感器安装在H型固定架的上端，所述导向轮与弹簧片固定连接，所述的弹簧片固定在H形固定架上且与压力传感器的测力面接触但不互相作用，所述导向轮用于导向连接绳索，当绳索伸缩时带动导向轮上下移动使得弹簧片压迫压力传感器的测力面检测拉力，所述压力传感器用于反馈绳索受拉状况，增加系统精确度。
优选地，还包括主控MCU和四个步进电机驱动器，所述主控MCU分别与四个步进电机驱动器连接，四个所述步进电机驱动器分别与四个绳索驱动模块的步进电机驱动连接；所述主控MCU用于接收及处理与其连接的第一编码器、第二编码器、第三编码器及压力传感器传输的反馈信号，并将处理后的信号发送至步进电机驱动器，控制步进电机驱动器驱动步进电机转动，从而带动绳索伸缩实现动平台的欧拉角输出。
一种三自由度并联踝关节康复机构的控制方法，权利要求1-4所述的三自由度并联踝关节康复机构的控制方法的具体步骤如下：
1)建立平台机构，所述平台机构包括动平台和静平台，在所述静平台上建立固定坐标系，在所述动平台上建立动坐标系，初始位置时，两坐标系各轴向一致；
2)根据整个平台的机械参数求出所述的动平台在三个方向上转动的最大位移α，β，γ，根据用户输入参数设定的工作需求，通过运动学反解求出不同位姿对应的四根绳索的长度变化量；所述动平台在三个方向的转动分别对应背伸或趾屈、内翻或外翻、内收或外展；
3)对绳索的长度变化量进行求导求出绳索的运动速度；
4)将绳索的运动速度设置为数组用于主控MCU程序编写，由主控MCU控制步进电机连续运动带动绳索伸缩实现动平台欧拉角的输出，实现动平台在三个方向上的转动。
优选地，所述步骤1中建立的平台机构包括静平台和动平台，所述的动平台中的垂直支架、U型支架、竖直转动连杆分别对应为Z向约束支链、X向约束支链和Y向约束支链，且所述Z向约束支链、X向约束支链和Y向约束支链构成等效球副用以实现动平台四个方向的运动；
四根所述绳索分别与四个偏心导向轮的连接位置A1、A2、A3、A4在一条直线上，所述固定坐标系建立在静平台上，且A2A4中心点Ob为固定坐标系的坐标原点，ObA1为Yb轴，正方向为由Ob指向A1，Zb轴为过Ob点垂直于静平台的直线，向上为正方向，同时根据右手法则确定Xb轴及其方向；
所述的动平台与四根绳索的连接位置B1、B2、B3、B4组成一个正方形，所述的动坐标系建立在动平台上，动坐标系的坐标原点OP位于正方形的中心点O点正上方，其余坐标轴XP、YP、ZP、的轴向分别与静平台坐标轴Xb、Yb、Zb轴向一致。
优选地，所述步骤2中整个平台的机械参数包括动坐标系与固定坐标系原点之间距离Ln、绳索与动平台连接点B1、B2、B3、B4所围正方形边长，绳索与静平台四个连接点A1、A2、A3、A4分别相对固定坐标系原点Ob的距离。
优选地，所述步骤2中的运动学反解包括建立绳索在动平台和静平台上的连接点在动坐标系和固定坐标系下的坐标、推导动坐标系相对于固定坐标系的旋转矩阵、通过坐标转换和矢量计算求出各绳索的长度变化量。
优选地，所述主控MCU中运行的控制程序的工作过程具体步骤如下：
步骤4-1：从由程序设置的全局变量中读取用户输入的动平台运动的角度极限值；
步骤4-2：进行机构回零，由压力传感器以及第一编码器、第二编码器、第三编码器进行反馈调节，到达零位时由主控MCU控制步进电机驱动器驱动步进电机运动停止运动；
步骤4-3：主控MCU从命令寄存器中读取用户输入的命令；
步骤4-4：根据用户输入参数调用相应的功能模块，完成运动，所述功能模块包括背伸或趾屈功能模块、内翻或外翻功能模块、内收或外展功能模块以及循环运动功能模块，其中，所述背伸或趾屈功能模块用于实现绕动平台Xp轴摆动，所述内翻或外翻功能模块用于实现绕动平台Yp轴摆动，所述内收或外展功能模块用于实现绕动平台Zp轴运动，所述循环运动功能用于实现背伸或趾屈功能模块、内翻或外翻功能模块、内收或外展功能模块三个功能模块的循环执行。
优选地，所述步骤4-4中，调用相应的功能模块的具体步骤如下：
a1)判断背伸或趾屈功能模块是否调用，若是，执行背伸或趾屈功能，否则执行下一步，执行背伸或趾屈功能过程中，若第一编码器、第一编码器、第三编码器测得的角度反馈信号超过设定的角度极限运动值，结束运动并复位停止；
a2)判断内翻或外翻功能模块是否调用，若是，执行内翻或外翻功能，否则执行下一步，执行内翻或外翻功能过程中，若第一编码器、第一编码器、第三编码器测得的角度反馈信号超过设定角度极限运动值，结束运动并复位停止；
a3)判断内收或外展功能模块是否调用，若是，执行内收或外展功能，否则执行下一步，执行内收或外展功能过程中，若第一编码器、第一编码器、第三编码器测得的角度反馈信号超过设定角度极限运动值，结束运动并复位停止；
a4)判断循环运动功能模块是否调用，若是，执行循环运动功能，否则返回主程序，执行循环运动过程中，若第一编码器、第一编码器、第三编码器测得的角度反馈信号超过设定角度极限运动值，结束运动并复位停止。
有益效果：本发明提供一种三自由度并联踝关节康复机构及其控制方法，与现有技术相比，本发明硬件结构简单，减少中间环节，可靠性高；主控MCU采用STM32单片机进行程序编写及运动控制，具有成本低、效益高、使用范围广的优点，且控制算法实现容易，同时使用了反馈调节，增强了装置的安全性，具有较好的推广价值。
附图说明
图1是三自由度并联式踝关节康复机构结构示意图；
图2是三自由度并联式踝关节康复机构几何模型示意图；
图3是绳索拉力检测机构结构示意图；
图4是机构运动控制的程序流程图；
图5是机构硬件原理图。
图中：动平台1、转动底盘1-1，垂直支架1-2、U型支架1-3、竖直转动连杆1-4、第一编码器1-5-1、第二编码器1-5-2、第三编码器1-5-3、脚踏板1-6、轴承座1-7、静平台2、基座3、绳索4-1、偏心导向轮4-2、绳索拉力检测机构4-3、H形固定架4-3-1、压力传感器4-3-2、导向轮4-3-3、弹簧片4-3-4、步进电机4-4、固定坐标系5、动坐标系6。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
一种三自由度并联踝关节康复机构，包括基座3、动平台1、静平台2和四个绳索驱动模块，其中，所述动平台1包括转动底盘1-1，两根垂直支架1-2、U型支架1-3、竖直转动连杆1-4、第一编码器1-5-1、第二编码器1-5-2、第三编码器1-5-3和脚踏板1-6，所述两根垂直支架1-2分别垂直对称设置在静平台2的两侧，且与转动底盘1-1固定连接，所述U型支架1-3的两端分别通过轴与两根垂直支架1-2的上端内侧面转动连接，且所述U型支架1-3水平安装，所述竖直转动连杆1-4下端与所述脚踏板1-6固定连接，上端通过轴转动连接在U型支架1-3的中间位置，所述脚踏板1-6上开设有四个用于连接绳索4-1的孔洞，且四个孔洞构成正方形；
所述静平台2固定安装在基座3上，且所述动平台1通过光轴和四个所述绳索驱动模块与静平台2连接，所述光轴的底端与轴承座1-7配合，所述光轴的上端与动平台1的转动底盘1-1通过平键连接，所述转动底盘1-1安装在静平台2下方，所述轴承座1-7通过螺钉连接在基座3上，且位于转动底盘1-1下方；
所述第一编码器1-5-1安装在静平台2上，且穿过静平台2与光轴连接，所述第二编码器1-5-2安装在垂直支架1-2的上端外侧面，且与U型支架1-3和垂直支架1-2之间的连接轴连接；所述第三编码器1-5-3安装在U型支架1-3上，且与U型支架1-3和竖直转动连杆1-4之间的连接轴连接；所述第一编码器1-5-1、第二编码器1-5-2和第三编码器1-5-3分别反馈动平台欧拉角，如图2所示，分别为θ1、θ2、θ3，增加系统精度；
所述绳索驱动模块包括绳索4-1、偏心导向轮4-2、绳索拉力检测机构4-3和步进电机4-4，所述偏心导向轮4-3安装在静平台2上表面，且静平台2在偏心导向轮4-2安装位置中心处开有通孔，所述绳索拉力检测机构4-3安装在基座3上，且位于静平台2下方，所述步进电机4-4固定安装在基座3上，所述绳索4-1的一端连接脚踏板1-6上的一个孔洞，另一端依次绕过偏心导向轮4-2、通孔和绳索拉力检测机构4-2后与步进电机4-4的输出轴连接。
优选地，四个所述绳索驱动模块的偏心导向轮4-2均安装在静平台2上表面，且四个偏心导向轮4-2位于一条直线上。
优选地，所述绳索拉力检测机构4-3包括H形固定架4-3-1、压力传感器4-3-2、导向轮4-3-3和弹簧片4-3-4，所述H型固定架4-3-1固定安装在基座3上，所述压力传感器4-3-2安装在H型固定架4-3-1的上端，所述导向轮4-3-3与弹簧片4-3-4固定连接，所述的弹簧片4-3-4固定在H形固定架4-3-1上且与压力传感器4-3-2的测力面接触但不互相作用，(本发明中，压力传感器只检测绳索受拉带动导向轮向上运动时带给弹簧片的压力，通过压力的相对大小判断绳索的松紧情况。)所述导向轮4-3-3用于导向连接绳索4-1，当绳索4-1伸缩时带动导向轮4-2上下移动使得弹簧片4-3-4压迫压力传感器4-3-2的测力面检测拉力，所述压力传感器4-3-2用于反馈绳索受拉状况，增加系统精确度。
优选地，还包括主控MCU和四个步进电机驱动器，所述主控MCU分别与四个步进电机驱动器连接，四个所述步进电机驱动器分别与四个绳索驱动模块的步进电机4-4驱动连接；所述主控MCU分别接收及处理与其连接的第一编码器1-5-1、第二编码器1-5-2、第三编码器1-5-3及压力传感器4-3-2传输的反馈信号，并将处理后的信号发送至步进电机驱动器，控制步进电机驱动器驱动步进电机4-4转动，从而带动绳索4-1伸缩实现动平台1的欧拉角输出。
一种三自由度并联踝关节康复机构的控制方法，具体步骤如下：
1)建立平台机构，所述平台机构包括动平台1和静平台2，在所述静平台2上建立固定坐标系5，在所述动平台1上建立动坐标系6，初始位置时，两坐标系各轴向一致；
2)根据整个平台的机械参数求出所述的动平台1在三个方向上转动的最大位移α，β，γ，根据用户输入参数设定的工作需求，通过运动学反解求出不同位姿对应的四根绳索4-1的长度变化量；所述动平台1在三个方向的转动分别对应背伸或趾屈、内翻或外翻、内收或外展；
3)对绳索4-1的长度变化量进行求导求出绳索4-1的运动速度；
4)将绳索4-1的运动速度设置为数组用于主控MCU程序编写，由主控MCU控制步进电机连续运动带动绳索4-1伸缩实现动平台欧拉角的输出，实现动平台1在三个方向上的转动。本发明中，主控MCU程序编写属于本领域技术人员掌握的常规技术手段，故而未加详述。
优选地，所述步骤1中建立的平台机构包括静平台2和动平台1，所述的动平台1中的垂直支架1-2、U型支架1-3、竖直转动连杆1-4分别对应为Z向约束支链、X向约束支链和Y向约束支链，且所述Z向约束支链、X向约束支链和Y向约束支链构成等效球副用以实现动平台1四个方向的运动；
四根所述绳索4-1分别与四个偏心导向轮4-2的连接位置A1、A2、A3、A4在一条直线上，所述固定坐标系5建立在静平台2上，且A2A4中心点Ob为固定坐标系5的坐标原点，ObA1为Yb轴，正方向为由Ob指向A1，Zb轴为过Ob点垂直于静平台2的直线，向上为正方向，同时根据右手法则确定Xb轴及其方向；
所述的动平台1与四根绳索4-1的连接位置B1、B2、B3、B4组成一个正方形，所述的动坐标系6建立在动平台1上，动坐标系6的坐标原点OP位于正方形的中心点O点正上方，其余坐标轴XP、YP、ZP、的轴向分别与静平台2的坐标轴Xb、Yb、Zb轴向一致。
优选地，所述步骤2中整个平台的机械参数包括动坐标系6与固定坐标系5原点之间距离Ln、绳索4-1与动平台1连接点B1、B2、B3、B4所围正方形边长，绳索4-1与静平台2四个连接点A1、A2、A3、A4分别相对固定坐标系原点Ob的距离。
优选地，所述步骤2中的运动学反解包括建立绳索4-1在动平台1和静平台2上的连接点在动坐标系6和固定坐标系5下的坐标、推导动坐标系6相对于固定坐标系5的旋转矩阵、通过坐标转换和矢量计算求出各绳索4-1的长度变化量。
本发明中，当建立好动坐标系6和固定坐标系5后，根据动平台1的机械参数和工作需求，进行运动学反解，即给出动平台1的位姿求解各绳索4-1的长度，机构的具体结构参数如表1所示，其中，T表示矩阵转置,ba1、ba2、ba3、ba4分别表示A1、A2、A3、A4在固定坐标系5中的坐标，pb1、pb2、pb3、pb4分别表示B1、B2、B3、B4在固定坐标系5中的坐标。
表1整个平台的具体结构参数
| 参数 | 数值/(mm) |
| L<sub>n</sub> | 380 |
| <sup>b</sup>a<sub>1</sub> | [0,160,0]<sup>T</sup> |
| <sup>b</sup>a<sub>2</sub> | [0,140,0]<sup>T</sup> |
| <sup>b</sup>a<sub>3</sub> | [0,-160,0]<sup>T</sup> |
| <sup>b</sup>a<sub>4</sub> | [0,-140,0]<sup>T</sup> |
| <sup>p</sup>b<sub>1</sub> | [80,80,-100]<sup>T</sup> |
| <sup>p</sup>b<sub>2</sub> | [-80,80,-100]<sup>T</sup> |
| <sup>p</sup>b<sub>3</sub> | [-80,-80,-100]<sup>T</sup> |
| <sup>p</sup>b<sub>4</sub> | [80,-80,-100]<sup>T</sup> |
动平台1在空间中的姿态用欧拉角来描述。当动坐标系6分别绕固定坐标系Xb轴,Yb轴,Zb轴转过α,β,γ角度时，采用下式变化矩阵。
采用几何法中的封闭矢量环进行机构位置反解的求解，动平台1处于任一位姿时，绳索4-1与静平台2和动平台1之间的连接点形成封闭矢量环，可得绳索矢量：则第i根驱动绳索的长度为：li＝||Li||＝||AiBi||(i＝1,2,3,4)，其中Li表示第i根绳索的长度。
根据运动学分析，编写求解程序，输入机构绳索4-1的长度变化量，即可求得动平台1不同运动时四个步进电机4-4的转动角度。
优选地，所述主控MCU中运行的控制程序的工作过程具体如下：
步骤4-1：从由程序设置的全局变量中读取用户输入的动平台运动的角度极限值；
步骤4-2：进行机构回零，由压力传感器4-3-2以及编码器1-5-1、1-5-2、1-5-3进行反馈调节，到达零位时由主控MCU控制步进电机驱动器驱动步进电机4-4运动停止运动；
步骤4-3：主控MCU从命令寄存器中读取用户输入的命令；
步骤4-4：根据用户输入参数调用相应的功能模块，完成运动，所述功能模块包括背伸或趾屈功能模块、内翻或外翻功能模块、内收或外展功能模块以及循环运动功能模块，其中，所述背伸或趾屈功能模块用于实现绕动平台Xp轴摆动，所述内翻或外翻功能模块用于实现绕动平台Yp轴摆动，所述内收或外展功能模块用于实现绕动平台Zp轴运动，所述循环运动功能用于实现背伸或趾屈功能模块、内翻或外翻功能模块、内收或外展功能模块三个功能模块的循环执行。
优选地，所述步骤4-4中，调用相应的功能模块的具体步骤如下：
a1)判断背伸或趾屈功能模块是否调用，若是，执行背伸或趾屈功能，否则执行下一步，执行背伸或趾屈功能过程中，若第一编码器1-5-1、第一编码器1-5-2、第三编码器1-5-3测得的角度反馈信号超过设定的角度极限运动值，结束运动并复位停止；
a2)判断内翻或外翻功能模块是否调用，若是，执行内翻或外翻功能，否则执行下一步，执行内翻或外翻功能过程中，若第一编码器1-5-1、第一编码器1-5-2、第三编码器1-5-3测得的角度反馈信号超过设定角度极限运动值，结束运动并复位停止；
a3)判断内收或外展功能模块是否调用，若是，执行内收或外展功能，否则执行下一步，执行内收或外展功能过程中，若第一编码器1-5-1、第一编码器1-5-2、第三编码器1-5-3测得的角度反馈信号超过设定角度极限运动值，结束运动并复位停止；
a4)判断循环运动功能模块是否调用，若是，执行循环运动功能，否则返回主程序，执行循环运动过程中，若第一编码器1-5-1、第一编码器1-5-2、第三编码器1-5-3测得的角度反馈信号超过设定角度极限运动值，结束运动并复位停止。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种三自由度并联踝关节康复机构，其特征在于，包括基座（3）、动平台（1）、静平台（2）和四个绳索驱动模块，其中，所述动平台（1）包括转动底盘（1-1），两根垂直支架（1-2）、U型支架（1-3）、竖直转动连杆（1-4）、第一编码器（1-5-1）、第二编码器（1-5-2）、第三编码器（1-5-3）和脚踏板（1-6），所述两根垂直支架（1-2）分别垂直对称设置在静平台（2）的两侧，且与转动底盘（1-1）固定连接，所述U型支架（1-3）的两端分别通过轴与两根垂直支架（1-2）的上端内侧面转动连接，且所述U型支架（1-3）水平安装，所述竖直转动连杆（1-4）下端与所述脚踏板（1-6）固定连接，上端通过轴转动连接在U型支架（1-3）的中间位置，所述脚踏板（1-6）上开设有四个用于连接绳索（4-1）的孔洞，且四个孔洞构成正方形；
所述静平台（2）固定安装在基座（3）上，且所述动平台（1）通过光轴和四个所述绳索驱动模块与静平台（2）连接，所述光轴的底端与轴承座（1-7）配合，所述光轴的上端与动平台（1）的转动底盘（1-1）通过平键连接，所述转动底盘（1-1）安装在静平台（2）下方，所述轴承座（1-7）通过螺钉连接在基座（3）上，且位于转动底盘（1-1）下方；
所述第一编码器（1-5-1）安装在静平台（2）上，且穿过静平台（2）与光轴连接，所述第二编码器（1-5-2）安装在垂直支架（1-2）的上端外侧面，且与U型支架（1-3）和垂直支架（1-2）之间的连接轴连接；所述第三编码器（1-5-3）安装在U型支架（1-3）上，且与U型支架（1-3）和竖直转动连杆（1-4）之间的连接轴连接；所述第一编码器（1-5-1）、第二编码器（1-5-2）和第三编码器（1-5-3）分别反馈动平台欧拉角，增加系统精度；
所述绳索驱动模块包括绳索（4-1）、偏心导向轮（4-2）、绳索拉力检测机构（4-3）和步进电机（4-4），所述偏心导向轮（4-3）安装在静平台（2）上表面，且静平台（2）在偏心导向轮（4-2）安装位置中心处开有通孔，所述绳索拉力检测机构（4-3）安装在基座（3）上，且位于静平台（2）下方，所述步进电机（4-4）固定安装在基座（3）上，所述绳索（4-1）的一端连接脚踏板（1-6）上的一个孔洞，另一端依次绕过偏心导向轮（4-2）、通孔和绳索拉力检测机构（4-2）后与步进电机（4-4）的输出轴连接。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度并联踝关节康复机构，其特征在于，四个所述绳索驱动模块的偏心导向轮（4-2）均安装在静平台（2）上表面，且四个偏心导向轮（4-2）位于一条直线上。
3.根据权利要求2所述的一种三自由度并联踝关节康复机构，其特征在于，所述绳索拉力检测机构（4-3）包括H形固定架（4-3-1）、压力传感器（4-3-2）、导向轮（4-3-3）和弹簧片（4-3-4），所述H型固定架（4-3-1）固定安装在基座（3）上，所述压力传感器（4-3-2）安装在H型固定架（4-3-1）的上端，所述导向轮（4-3-3）与弹簧片（4-3-4）固定连接，所述的弹簧片（4-3-4）固定在H形固定架（4-3-1）上且与压力传感器（4-3-2）的测力面接触但不互相作用，所述导向轮（4-3-3）用于导向连接绳索（4-1），当绳索（4-1）伸缩时带动导向轮（4-2）上下移动使得弹簧片（4-3-4）压迫压力传感器（4-3-2）的测力面检测拉力，所述压力传感器（4-3-2）用于反馈绳索受拉状况，增加系统精确度。
4.根据权利要求3所述的一种三自由度并联踝关节康复机构，其特征在于，还包括主控MCU和四个步进电机驱动器，所述主控MCU分别与四个步进电机驱动器连接，四个所述步进电机驱动器分别与四个绳索驱动模块的步进电机（4-4）驱动连接；所述主控MCU分别接收及处理与其连接的第一编码器（1-5-1）、第二编码器（1-5-2）、第三编码器（1-5-3）及压力传感器（4-3-2）传输的反馈信号，并将处理后的信号发送至步进电机驱动器，控制步进电机驱动器驱动步进电机（4-4）转动，从而带动绳索（4-1）伸缩实现动平台（1）的欧拉角输出。
5.一种三自由度并联踝关节康复机构的控制方法，其特征在于，权利要求1-4所述的三自由度并联踝关节康复机构的控制方法的具体步骤如下：
1)建立平台机构，所述平台机构包括动平台（1）和静平台（2），在所述静平台（2）上建立固定坐标系（5），在所述动平台（1）上建立动坐标系（6），初始位置时，两坐标系各轴向一致；
2)根据整个平台的机械参数求出所述的动平台（1）在三个方向上转动的最大位移α，β，γ，根据用户输入参数设定的工作需求，通过运动学反解求出不同位姿对应的四根绳索（4-1）的长度变化量；所述动平台（1）在三个方向的转动分别对应背伸或趾屈、内翻或外翻、内收或外展；
3)对绳索（4-1）的长度变化量进行求导求出绳索（4-1）的运动速度；
4)将绳索（4-1）的运动速度设置为数组用于主控MCU程序编写，由主控MCU控制步进电机连续运动带动绳索（4-1）伸缩实现动平台（1）欧拉角的输出，实现动平台（1）在三个方向上的转动。
6.根据权利要求5所述的一种三自由度并联踝关节康复机构的控制方法，其特征是，所述步骤1中建立的平台机构包括静平台（2）和动平台（1），所述的动平台（1）中的垂直支架（1-2）、U型支架（1-3）、竖直转动连杆（1-4）分别对应为Z向约束支链、X向约束支链和Y向约束支链，且所述Z向约束支链、X向约束支链和Y向约束支链构成等效球副用以实现动平台（1）四个方向的运动；
四根所述绳索（4-1）分别与四个偏心导向轮（4-2）的连接位置A1、A2、A3、A4在一条直线上，所述固定坐标系（5）建立在静平台（2）上，且A2A4中心点Ob为固定坐标系（5）的坐标原点，ObA1为Yb轴，正方向为由Ob指向A1，Zb轴为过Ob点垂直于静平台（2）的直线，向上为正方向，同时根据右手法则确定Xb轴及其方向；
所述的动平台（1）与四根绳索（4-1）的连接位置B1、B2、B3、B4组成一个正方形，所述的动坐标系（6）建立在动平台（1）上，动坐标系（6）的坐标原点OP位于正方形的中心点O点正上方，其余坐标轴XP、YP、ZP、的轴向分别与静平台坐标轴Xb、Yb、Zb轴向一致。
7.根据权利要求5所述的一种三自由度并联踝关节康复机构的控制方法，其特征在于，所述步骤2中整个平台的机械参数包括动坐标系（6）与固定坐标系（5）原点之间距离Ln、绳索（4-1）与动平台（1）连接点B1、B2、B3、B4所围正方形边长，绳索（4-1）与静平台（2）四个连接点A1、A2、A3、A4分别相对固定坐标系原点Ob的距离。
8.根据权利要求5所述的一种三自由度并联踝关节康复机构的控制方法，其特征在于，所述步骤2中的运动学反解包括建立绳索（4-1）在动平台（1）和静平台（2）上的连接点在动坐标系（6）和固定坐标系（5）下的坐标、推导动坐标系（6）相对于固定坐标系（5）的旋转矩阵、通过坐标转换和矢量计算求出各绳索（4-1）的长度变化量。
9.根据权利要求5所述的一种三自由度并联踝关节康复机构的控制方法，其特征在于，所述主控MCU中运行的控制程序的工作过程具体步骤如下：
步骤4-1：从由程序设置的全局变量中读取用户输入的动平台运动的角度极限值；
步骤4-2：进行机构回零，由压力传感器（4-3-2）以及第一编码器（1-5-1）、第二编码器（1-5-2）、第三编码器（1-5-3）进行反馈调节，到达零位时由主控MCU控制步进电机驱动器驱动步进电机运动停止运动；
步骤4-3：主控MCU从命令寄存器中读取用户输入的命令；
步骤4-4：根据用户输入参数调用相应的功能模块，完成运动，所述功能模块包括背伸或趾屈功能模块、内翻或外翻功能模块、内收或外展功能模块以及循环运动功能模块，其中，所述背伸或趾屈功能模块用于实现绕动平台Xp轴摆动，所述内翻或外翻功能模块用于实现绕动平台Yp轴摆动，所述内收或外展功能模块用于实现绕动平台Zp轴运动，所述循环运动功能用于实现背伸或趾屈功能模块、内翻或外翻功能模块、内收或外展功能模块三个功能模块的循环执行。
10.根据权利要求9所述的一种三自由度并联踝关节康复机构的控制方法，其特征在于，所述步骤4-4中，调用相应的功能模块的具体步骤如下：
a1)判断背伸或趾屈功能模块是否调用，若是，执行背伸或趾屈功能，否则执行下一步，执行背伸或趾屈功能过程中，若第一编码器（1-5-1）、第一编码器（1-5-2）、第三编码器（1-5-3）测得的角度反馈信号超过设定的角度极限运动值，结束运动并复位停止；
a2)判断内翻或外翻功能模块是否调用，若是，执行内翻或外翻功能，否则执行下一步，执行内翻或外翻功能过程中，若第一编码器（1-5-1）、第一编码器（1-5-2）、第三编码器（1-5-3）测得的角度反馈信号超过设定角度极限运动值，结束运动并复位停止；
a3)判断内收或外展功能模块是否调用，若是，执行内收或外展功能，否则执行下一步，执行内收或外展功能过程中，若第一编码器（1-5-1）、第一编码器（1-5-2）、第三编码器（1-5-3）测得的角度反馈信号超过设定角度极限运动值，结束运动并复位停止；
a4)判断循环运动功能模块是否调用，若是，执行循环运动功能，否则返回主程序，执行循环运动过程中，若第一编码器（1-5-1）、第一编码器（1-5-2）、第三编码器（1-5-3）测得的角度反馈信号超过设定角度极限运动值，结束运动并复位停止。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910857155.XA CN110559159A (zh) | 2019-09-11 | 2019-09-11 | 一种三自由度并联踝关节康复机构及其控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910857155.XA CN110559159A (zh) | 2019-09-11 | 2019-09-11 | 一种三自由度并联踝关节康复机构及其控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110559159A true CN110559159A (zh) | 2019-12-13 |
Family
ID=68778979
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910857155.XA Pending CN110559159A (zh) | 2019-09-11 | 2019-09-11 | 一种三自由度并联踝关节康复机构及其控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110559159A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111166616A (zh) * | 2020-02-05 | 2020-05-19 | 夏喜明 | 一种骨科病人用踝关节训练装置 |
| CN111904801A (zh) * | 2020-09-21 | 2020-11-10 | 东北大学秦皇岛分校 | 一种混联式柔性踝关节康复装置 |
| CN113855478A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-12-31 | 清华大学无锡应用技术研究院 | 索驱动并联踝关节康复机器人 |
| CN114652570A (zh) * | 2022-03-17 | 2022-06-24 | 东莞理工学院 | 柔性绳驱动踝关节康复机器人 |
| CN115533923A (zh) * | 2022-11-30 | 2022-12-30 | 北京史河科技有限公司 | 一种索驱机器人的侧立面工作范围优化方法和装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102023643A (zh) * | 2010-09-30 | 2011-04-20 | 北京航空航天大学 | 3-prp平面三自由度并联机构定位方法 |
| CN103479502B (zh) * | 2013-09-16 | 2015-02-25 | 北京交通大学 | 一种踝关节康复装置 |
| CN107803820A (zh) * | 2017-10-16 | 2018-03-16 | 清华大学 | 一种三自由度并联机构踝关节康复装置 |
| CN108858134A (zh) * | 2018-04-19 | 2018-11-23 | 河海大学常州校区 | 一种三自由度并联机器人控制方法 |
| CN109939415A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-06-28 | 福州大学 | 一种具有高运动角度的主动式并联康复机及其装配方法 |
-
2019
- 2019-09-11 CN CN201910857155.XA patent/CN110559159A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102023643A (zh) * | 2010-09-30 | 2011-04-20 | 北京航空航天大学 | 3-prp平面三自由度并联机构定位方法 |
| CN103479502B (zh) * | 2013-09-16 | 2015-02-25 | 北京交通大学 | 一种踝关节康复装置 |
| CN107803820A (zh) * | 2017-10-16 | 2018-03-16 | 清华大学 | 一种三自由度并联机构踝关节康复装置 |
| CN108858134A (zh) * | 2018-04-19 | 2018-11-23 | 河海大学常州校区 | 一种三自由度并联机器人控制方法 |
| CN109939415A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-06-28 | 福州大学 | 一种具有高运动角度的主动式并联康复机及其装配方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 李剑锋等: "基于3-UPS/RRR 的并联踝关节康复机构及其性能分析", 《自动化学报》 * |
| 禹润田等: "绳驱动并联踝关节康复机构设计及运动性能分析", 《机器人》 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111166616A (zh) * | 2020-02-05 | 2020-05-19 | 夏喜明 | 一种骨科病人用踝关节训练装置 |
| CN111904801A (zh) * | 2020-09-21 | 2020-11-10 | 东北大学秦皇岛分校 | 一种混联式柔性踝关节康复装置 |
| CN113855478A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-12-31 | 清华大学无锡应用技术研究院 | 索驱动并联踝关节康复机器人 |
| CN113855478B (zh) * | 2021-09-15 | 2023-10-20 | 清华大学无锡应用技术研究院 | 索驱动并联踝关节康复机器人 |
| CN114652570A (zh) * | 2022-03-17 | 2022-06-24 | 东莞理工学院 | 柔性绳驱动踝关节康复机器人 |
| CN114652570B (zh) * | 2022-03-17 | 2024-05-10 | 东莞理工学院 | 柔性绳驱动踝关节康复机器人 |
| CN115533923A (zh) * | 2022-11-30 | 2022-12-30 | 北京史河科技有限公司 | 一种索驱机器人的侧立面工作范围优化方法和装置 |
| CN115533923B (zh) * | 2022-11-30 | 2023-03-03 | 北京史河科技有限公司 | 一种索驱机器人的侧立面工作范围优化方法和装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110559159A (zh) | 一种三自由度并联踝关节康复机构及其控制方法 | |
| US11045945B2 (en) | Method for controlling walking of robot and robot | |
| US8641782B2 (en) | Compact exoskeleton arm support device to compensate for gravity | |
| US20210086356A1 (en) | Method for controlling a limb motion intention understanding and upper limb rehabilitation training robot based on force sense information and posture information | |
| CN107137875B (zh) | 一种用于虚拟现实的全向跑步装置 | |
| CN109223444A (zh) | 康复机器人及其人机协同交互力控制方法 | |
| CN103934823B (zh) | 一种具有自标定功能的6-ptrt型并联机器人 | |
| CN105437209B (zh) | 一种具有人机交互动力学模型的外骨骼式上肢康复机器人 | |
| CN106741277B (zh) | 一种混合式机械腿机构 | |
| CN107270061B (zh) | 一种带连杆的六自由度液压运动平台控制方法 | |
| CN113305809B (zh) | 一种全约束空间绳索驱动并联机构的力感模拟控制方法 | |
| CN104731103A (zh) | 一种多层闭环控制策略的Stewart六自由度飞行模拟平台 | |
| CN110450135A (zh) | 一种动态悬吊式体重支持系统 | |
| CN110613914B (zh) | 健身设备及其控制方法、控制装置和计算机可读存储介质 | |
| KR20110092890A (ko) | 로봇용 관절 구동장치 및 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법 | |
| Zheng et al. | Human motion capture system based 3D reconstruction on rehabilitation assistance stability of lower limb exoskeleton robot climbing upstairs posture | |
| CN109159120B (zh) | 基于康复机械臂关节电机电流反馈的主动控制方法及系统 | |
| Du et al. | A self-adaptive alignment strategy for large components based on dynamic compliance center | |
| CN112129485A (zh) | 一种风洞机械天平单矢量加载方法 | |
| Otani et al. | New shank mechanism for humanoid robot mimicking human-like walking in horizontal and frontal plane | |
| Ji et al. | Self-Identification of Cable-Driven Exoskeleton Based on Asynchronous Iterative Method | |
| Hosseini | Kinematic synthesis of a novel rapid spherical CRS/PU parallel manipulator | |
| Heo et al. | Motion control of bicycle-riding exoskeleton robot with interactive force analysis | |
| CN210773988U (zh) | 角度测量组件、测量装置及示教装置 | |
| CN111150608B (zh) | 基于压力传感器识别运动意图的康复机器人的控制方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191213 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |