CN110711109B - 适用于踝关节康复的变胞并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于踝关节康复的变胞并联机构，其包括定平台、动平台、第一支链、第二支链、第三支链和驱动系统，其中第一支链和第二支链结构组成相同，第一支链、第二支链的第二虎克铰端和第三支链的转动副端分别与定平台连接，第一支链、第二支链的第一虎克铰端和第三支链的第三虎克铰端与动平台上对应连接，构成2‑UPU/RPU并联机构。本发明结构简单，刚度高，运动部分解耦，运动灵活，可实现两转两移四自由度和两转一移三自由度两种模态下的运动输出，能同时实现踝关节单独转动康复和牵引转动下的康复过程，实现踝关节背趾屈、内外翻，上推下拉以及前后牵引动作。

Description

适用于踝关节康复的变胞并联机构

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种适用于踝关节康复的变胞并联机构。

背景技术

并联机构以其较高的机构刚度、较强的承载能力、运动惯性小和累积误差小等特点，引起了越来越多学者的关注和研究。其中少自由度并联机构即自由度为2～5的并联机构具有构件少、控制相对简单、制造容易等优点，在许多不需要6自由度的工业领域，如天文望远镜、追踪飞行目标、照相机、海面作业平台的调整、医疗器械等领域大有用武之地。

踝关节是人体下肢的三大关节之一，是人体运动的重要枢纽和承重关节，其扭伤是骨科临床常见的运动伤。踝关节康复机构的应用不仅可以提高康复训练工作效率，减轻医务人员的工作量，还有利于对康复效果进行评估，以此制定相应阶段的训练内容，具有良好的使用价值和应用前景。

目前，国内外已经有少数学者着手踝关节康复机构的研究，现有的踝关节康复机构可大致分为以下三类：少自由度康复机构A、过自由度康复机构B、三转动康复机构C。对于A类机构如中国专利201110136484.9、中国专利201620254272.9、中国专利201620254274.8)仅能够实现背屈/跛屈、内收/外展的两转动机构，只能部分满足踝关节康复的要求，功能单一，难以实现电机的固定安装，这使整个机构惯性增加的同时也增加了患者踝关节的负重。对于B类如中国专利：201310421566.7机构中的冗余自由度使患者额外受力，违背了设计康复机构应注意的舒适性准则，同时冗余驱动导致了动力的浪费，增大了控制难度。对于C类如中国专利201310006399.X、中国专利201010600198.9、中国专利201110369691.9、中国专利201420558374.0、中国专利201510381350.1，多采用3-RSS/S、3-UPS/RRR、2-PSS/S、2-UPS/UCU/S、3-RRRPP等并联机构作为踝关节康复机构，这些机构虽然满足了康复训练对于自由度的要求，但需要三条轴线的共点汇交，对安装精度要求较高，或不能保证机构转动轴线与人体踝关节轴线重合，康复过程中踝关节随机构转动的同时，小腿需要随动，如果小腿协调不到位将影响康复进度并有可能造成二次损伤。

发明内容

针对以上情况，本发明提供了一种适用于踝关节康复的变胞并联机构，具有的上下移动自由度，可实现不同腿长人员在固定高度座位上的踝关节正常康复训练，或者根据康复需求及条件对患者的小腿和膝关节进行一定的配合训练，具有的前后移动自由度可实现踝关节背趾屈运动的动态训练，增加了踝关节康复训练过程中的趣味性；能同时实现单独转动康复和在牵引转动下的康复过程，当同时进行前后上下移动以及一个转动时，所对应踝关节运动与人体下肢行走时踝关节运动轨迹高度类似，提高训练效果加快恢复进程；具有强度高的特性和部分解耦性，保证康复过程中的安全稳定性和消除了不同分支间的耦合，简化了控制过程。

本发明采用的技术方案是，一种适用于踝关节康复的变胞并联机构，其包括定平台、动平台、第一支链、第二支链、第三支链和驱动系统；所述第一支链和所述第二支链结构组成相同，分别包括第一虎克铰、第一上连杆、第一移动副、第一下连杆和第二虎克铰，所述第一上连杆的第一端通过所述第一虎克铰与所述动平台相连接，所述第一上连杆的第二端通过所述第一移动副与所述第一下连杆的第一端连接，所述第一下连杆的第二端通过所述第二虎克铰与所述定平台连接；

所述第三支链包括第三虎克铰、第二上连杆、第二移动副、第二下连杆和转动副，所述第二上连杆的第一端通过所述第三虎克铰与所述动平台相连接，所述第二上连杆的第二端通过所述第二移动副与所述第二下连杆的第一端连接，所述第二下连杆的第二端通过所述转动副与所述定平台连接；

所述第一虎克铰、第二虎克铰和第三虎克铰分别由两个轴线相互垂直的转动副组成，其中与所述定平台或所述动平台连接的一个转动副为外侧转动副，靠近移动副的转动副为内侧转动副；所述第一支链和所述第二支链的所述第一虎克铰的所述外侧转动副轴线重合，且所述第一支链和所述第二支链的所述第一虎克铰的所述外侧转动副轴线与所述第三支链的所述第三虎克铰的所述外侧转动副轴线垂直，所述第一支链和所述第二支链的所述第二虎克铰的所述外侧转动副轴线重合，且所述第一支链和所述第二支链的所述第二虎克铰的所述外侧转动副轴线与所述第三支链的所述转动副轴线平行，所述第一支链和所述第二支链的所述第二虎克铰的所述内侧转动副轴线与所述第一移动副轴线垂直，且与所述第一虎克铰内侧转动副轴线平行，所述第三支链中所述转动副轴线与所述第二移动副轴线垂直，且与所述第三虎克铰内侧转动副轴线平行；以及

所述驱动系统包括三个直线驱动装置、一个转动驱动装置和相应的控制器，所述三个直线驱动装置分别驱动所述第一支链的所述第一移动副、所述第二支链的所述第一移动副和所述第三支链的所述第二移动副，所述转动驱动装置驱动所述第三支链的所述转动副。

进一步地，所述第一支链、所述第二支链的第二虎克铰端和所述第三支链的转动副端分别与所述定平台上三角形顶点连接，所述第一支链、所述第二支链的第一虎克铰端和第三支链的第三虎克铰端与所述动平台上对应三角形顶点连接。

优选地，初始位置安装时所述定平台平行于所述动平台，所述第二支链和所述第一支链中所述第一虎克铰和所述第二虎克铰的所述外侧转动副轴线相互平行，所述第二支链中所述第一虎克铰和所述第二虎克铰的所述外侧转动副轴线相互平行，所述第三支链中所述第三虎克铰的所述外侧转动副轴线与所述第一支链、第二支链中四个所述外侧转动副轴线垂直。

优选地，所述并联机构在安装初始位置时，为具有两转动两移动四个自由度状态，此时所述三个直线驱动装置、一个转动驱动装置均处于驱动控制状态，所述并联机构发生某一方位的转动运动时，变为具有两转动一移动三个自由度状态，此时所述三个直线驱动装置处于驱动控制状态，所述转动驱动装置处于自由状态。

优选地，所述第一支链和所述第二支链的所述第一虎克铰的所述外侧转动副轴线方向为第一转动方向，所述第三支链的所述第三虎克铰的所述外侧转动副轴线方向为第二转动方向，与所述定平台垂直的方向为第一移动方向，与所述第三支链中所述转动副轴线垂直且与所述定平台相平行的方向为第二移动方向，所述并联机构作为踝关节康复机构时，所述第一转动方向对应踝关节的背趾屈运动，所述第二转动方向对应踝关节的内外翻运动，所述第一移动方向对应踝关节的上推下拉运动，所述第二移动方向对应踝关节的前后牵引运动。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明提供的适用于踝关节康复的变胞并联机构，具有的上下移动自由度，可实现不同腿长人员在固定高度座位上的踝关节正常康复训练，或者根据康复需求及条件对患者的小腿和膝关节进行一定的配合训练，具有的前后移动自由度可实现踝关节背趾屈运动的动态训练，增加了踝关节康复训练过程中的趣味性。

2、本发明提供的适用于踝关节康复的变胞并联机构，能同时实现单独转动康复和在牵引转动下的康复过程，也能同时进行前后上下移动以及一个转动时，所对应踝关节运动与人体下肢行走时踝关节运动轨迹高度类似，提高训练效果加快恢复进程。

3、本发明提供的适用于踝关节康复的变胞并联机构，具有强度高的特性和部分解耦性，保证康复过程中的安全稳定性和消除了不同分支间的耦合，简化了控制过程。

附图说明

图1是本发明的适用于踝关节康复的变胞并联机构立体示意图；

图2是本发明适用于踝关节康复的变胞并联机构更详细立体结构示意图；

图3是本发明适用于踝关节康复的变胞并联机构初始位置结构示意图；以及

图4是本发明适用于踝关节康复的变胞并联机构一般位型结构示意图。

主要附图标记：

1-定平台；2-第一支链；3-动平台；4-第三支链；5-第二支链；21-第二虎克铰；22-第一下连杆；23-第一移动副；24-第一上连杆；25-第一虎克铰；41-转动副；42-第二下连杆；43-第二移动副；44-第二上连杆；45-第三虎克铰；51-第二虎克铰；52-第一下连杆；53-第一移动副；54-第一上连杆；55-第一虎克铰。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供了一种适用于踝关节康复的变胞并联机构，如图1所示，其包括定平台1、动平台3、第一支链2、第二支链5、第三支链4和驱动系统。

如图2所示，第一支链2包括第一虎克铰25、第一上连杆24、第一移动副23、第一下连杆22和第二虎克铰21，第一上连杆24的第一端通过第一虎克铰25与动平台3相连接，第一上连杆24的第二端通过第一移动副23与第一下连杆22的第一端连接，第一下连杆22的第二端通过第二虎克铰21与定平台1连接；第二支链5包括第一虎克铰55、第一上连杆54、第一移动副53、第一下连杆52和第二虎克铰51，第二支链5结构组成和连接方式与第一支链2结构组成和连接方式相同；第三支链4包括第三虎克铰45、第二上连杆44、第二移动副43、第二下连杆42和转动副41，第二上连杆44的第一端通过第三虎克铰45与动平台3相连接，第二上连杆44的第二端通过第二移动副43与第二下连杆42的第一端连接，第二下连杆42的第二端通过转动副41与定平台1连接。

第一支链2、第二支链5的第二虎克铰端和第三支链4的转动副端分别与定平台1上三角形顶点连接，第一支链2、第二支链5的第一虎克铰端和第三支链4的第三虎克铰端与动平台3上对应三角形顶点连接。

如图2所示，虎克铰由两个轴线相互垂直的转动副组成，定义虎克铰与定平台1或动平台3连接的一个转动副为外侧转动副，与移动副连接的转动副为内侧转动副，第一支链2和第二支链5的第一虎克铰25和55的外侧转动副轴线重合，且第一支链2和第二支链5的第一虎克铰25和55的外侧转动副轴线与第三支链4的第三虎克铰45的外侧转动副轴线垂直，第一支链2和第二支链5的第二虎克铰21和51的外侧转动副轴线重合，且第一支链2和第二支链5的第二虎克铰21和51的外侧转动副轴线与第三支链4的转动副轴线平行，第一支链2和第二支链5的第二虎克铰21和51的内侧转动副轴线分别与第一移动副23和53轴线垂直，且分别与第一虎克铰25和55内侧转动副轴线平行，第三支链4中转动副41轴线与第二移动副43轴线垂直，且与第三虎克铰45内侧转动副轴线平行。

如图3所示，初始位置安装时定平台1平行于动平台3，第一支链2中第一虎克铰25和第二虎克铰21的外侧转动副轴线相互平行，第二支链5中第一虎克铰55和第二虎克铰51的外侧转动副轴线相互平行，第三支链4中第三虎克铰45的外侧转动副轴线与第一支链2、第二支链5中四个外侧转动副轴线垂直。

如图4所示，当机构发生某一方位的转动运动时，机构处于一般位型状态，定平台1不再平行于动平台3，第一支链2中第一虎克铰25和第二虎克铰21的外侧转动副轴线相交于一点O，第二支链5中第一虎克铰55和第二虎克铰51的外侧转动副轴线亦相交于O点，第三支链4中第三虎克铰45的外侧转动副轴线与第一支链2、第二支链5中四个外侧转动副轴线垂直。

驱动系统包括三个直线驱动装置、一个转动驱动装置和相应的控制器，三个直线驱动装置分别驱动第一支链2的第一移动副23、第二支链5的第一移动副53和第三支链4的第二移动副43，转动驱动装置驱动第三支链4的转动副41。并联机构处于安装初始位置时，为具有两转动两移动四个自由度状态，此时三个直线驱动装置、一个转动驱动装置均处于驱动控制状态；当并联机构发生某一方位的转动运动时，变为具有两转动一移动三个自由度状态，此时三个直线驱动装置处于驱动控制状态，转动驱动装置处于自由状态，保证并联机构不存在过约束状态。

第一支链2和第二支链5的第一虎克铰25的外侧转动副轴线方向为第一转动方向，第三支链4的第三虎克铰45外侧转动副轴线方向为第二转动方向，与定平台1垂直的方向为第一移动方向，与第三支链4中转动副41轴线垂直且与定平台1相平行的方向为第二移动方向，本发明变胞并联机构作为踝关节康复机构时，并联机构的第一转动方向对应踝关节的背趾屈运动，并联机构第二转动方向对应踝关节的内外翻运动，并联机构的第一移动方向对应踝关节的上推下拉运动，并联机构的第二移动方向对应踝关节的前后牵引运动。四个驱动装置在控制器的协同作用实现踝关节运动所需的角度和运动轨迹。

本发明的具体操作步骤如下：

本发明的一种适用于踝关节康复的变胞并联机构在操作过程中，如图1～2所示，其包括定平台1、动平台3、第一支链2、第二支链5、第三支链4和驱动系统，第一支链2包括第一虎克铰25、第一上连杆24、第一移动副23、第一下连杆22和第二虎克铰21，第二支链5结构组成和连接方式与第一支链2结构组成和连接方式相同，第三支链4包括第三虎克铰45、第二上连杆44、第二移动副43、第二下连杆42和转动副41，第一支链2、第二支链5的第二虎克铰端和第三支链4的转动副端分别与定平台1上三角形顶点连接，第一支链2、第二支链5的第一虎克铰端和第三支链4的第三虎克铰端与动平台3上对应三角形顶点连接，初始位置安装时定平台1平行于动平台3，驱动系统包括三个直线驱动装置、一个转动驱动装置和相应的控制器，三个直线驱动装置分别驱动第一支链2的第一移动副23、第二支链5的第一移动副53和第三支链4的第二移动副43，转动驱动装置驱动第三支链4的转动副41。

如图2所示，在踝关节康复过程中，将机构平放于离脚适当的位置，脚置于动平台3上，在驱动系统的控制下，动平台发生绕第一转动方向的转动，实现踝关节的背趾屈运动；动平台发生绕第二转动方向的转动，实现踝关节的内外翻运动；动平台发生绕第一移动方向的移动，实现踝关节的上推下拉运动；动平台发生绕第二移动方向的移动，实现踝关节的前后牵引运动。另外可以在驱动系统的控制下，同时实现绕第一转动方向和沿第二移动方向的运动，同时实现沿第一移动方向和绕第一转动方向或者第二转动方向的运动，组合运动能更好的完成踝关节康复功能。

以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于踝关节康复的变胞并联机构，其特征在于，其包括定平台、动平台、第一支链、第二支链、第三支链和驱动系统，

所述第一支链和所述第二支链结构相同，分别包括第一虎克铰、第一上连杆、第一移动副、第一下连杆和第二虎克铰，所述第一上连杆的第一端通过所述第一虎克铰与所述动平台相连接，所述第一上连杆的第二端通过所述第一移动副与所述第一下连杆的第一端连接，所述第一下连杆的第二端通过所述第二虎克铰与所述定平台连接；

所述第三支链包括第三虎克铰、第二上连杆、第二移动副、第二下连杆和转动副，所述第二上连杆的第一端通过所述第三虎克铰与所述动平台相连接，所述第二上连杆的第二端通过所述第二移动副与所述第二下连杆的第一端连接，所述第二下连杆的第二端通过所述转动副与所述定平台连接；

所述第一虎克铰、第二虎克铰和第三虎克铰分别由两个轴线相互垂直的转动副组成，其中与所述定平台或所述动平台连接的一个转动副为外侧转动副，靠近移动副的转动副为内侧转动副；所述第一支链和所述第二支链的所述第一虎克铰的所述外侧转动副轴线重合，且所述第一支链和所述第二支链的所述第一虎克铰的所述外侧转动副轴线与所述第三支链的所述第三虎克铰的所述外侧转动副轴线垂直，所述第一支链和所述第二支链的所述第二虎克铰的所述外侧转动副轴线重合，且所述第一支链和所述第二支链的所述第二虎克铰的所述外侧转动副轴线与所述第三支链的所述转动副轴线平行，所述第一支链和所述第二支链的所述第二虎克铰的所述内侧转动副轴线与所述第一移动副轴线垂直，且与所述第一虎克铰内侧转动副轴线平行，所述第三支链中所述转动副轴线与所述第二移动副轴线垂直，且与所述第三虎克铰内侧转动副轴线平行；

所述驱动系统包括三个直线驱动装置、一个转动驱动装置和相应的控制器，所述三个直线驱动装置分别驱动所述第一支链的所述第一移动副、所述第二支链的所述第一移动副和所述第三支链的所述第二移动副，所述转动驱动装置驱动所述第三支链的所述转动副；

初始位置安装时所述定平台平行于所述动平台，所述第一支链中所述第一虎克铰和所述第二虎克铰的所述外侧转动副轴线相互平行，所述第二支链中所述第一虎克铰和所述第二虎克铰的所述外侧转动副轴线相互平行，所述第三支链中所述第三虎克铰的所述外侧转动副轴线与所述第一支链、第二支链中四个所述外侧转动副轴线垂直。

2.根据权利要求1所述的适用于踝关节康复的变胞并联机构，其特征在于，所述第一支链、所述第二支链的第二虎克铰端和所述第三支链的转动副端分别与所述定平台上三角形顶点连接，所述第一支链、所述第二支链的第一虎克铰端和第三支链的第三虎克铰端与所述动平台上对应三角形顶点连接。

3.根据权利要求1所述的适用于踝关节康复的变胞并联机构，其特征在于，所述并联机构在安装初始位置时，为具有两转动两移动四个自由度状态，此时所述三个直线驱动装置、一个转动驱动装置均处于驱动控制状态，所述并联机构发生某一方位的转动运动时，变为具有两转动一移动三个自由度状态，此时所述三个直线驱动装置处于驱动控制状态，所述转动驱动装置处于自由状态。

4.根据权利要求3所述的适用于踝关节康复的变胞并联机构，其特征在于，所述第一支链和所述第二支链的所述第一虎克铰的所述外侧转动副轴线方向为第一转动方向，所述第三支链的所述第三虎克铰的所述外侧转动副轴线方向为第二转动方向，与所述定平台垂直的方向为第一移动方向，与所述第三支链中所述转动副轴线垂直且与所述定平台相平行的方向为第二移动方向，所述并联机构作为踝关节康复机构时，所述第一转动方向对应踝关节的背趾屈运动，所述第二转动方向对应踝关节的内外翻运动，所述第一移动方向对应踝关节的上推下拉运动，所述第二移动方向对应踝关节的前后牵引运动。

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