CN111096871A

CN111096871A - 一种踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法

Info

Publication number: CN111096871A
Application number: CN202010078191.9A
Authority: CN
Inventors: 陈国强; 楚子鑫; 康件丽
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2020-05-05

Abstract

本发明提供了一种踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法，所述康复机器人采用3‑PRS并联机构，确定尺寸参数时，采用最优化方法，以所述康复机器人的体积最小为优化目标，目标函数为所述康复机器人的最小外接圆柱体的体积，所述最小外接圆柱体的轴线与所述3‑PRS并联机构的立柱平行。通过最优化方法确定尺寸参数，从而在保证功能的前提下减小康复机器人的体积。本发明对于踝关节康复机器人的快速设计、分析优化，促进其在医疗康复领域的广泛应用，具有重要的实用价值。

Description

一种踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法

技术领域

本发明涉及辅助医疗康复训练机器人领域，特别是一种踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法。

背景技术

康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了机器人领域的一个研究热点。目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术的开发。

踝关节扭伤较常见，多由间接外力所致。如行走时踏入凹处使踝关节突然内翻、内收，即可损伤外侧副韧带，严重者，可使踝关节骨折。治疗不及时或不彻底，日后会反复扭伤，以致影响关节功能。目前针对踝关节的康复训练，大都是请专业治疗师来指定康复方案，但由于患者相对于治疗师的比例越来越高，这就造成了治疗师的数量不足、工作强度大、无法很好掌握患者康复信息等问题。踝关节康复治疗的重复性和单调性使得机器人成为人工操作的一个有吸引力的替代品。此外，与治疗相关的传感器数据可以被收集并处理成有用的信息，以帮助治疗师更客观地评估和治疗损伤。因此，踝关节康复机器人的需求应运而生，利用康复机器人来代替治疗师对患者进行踝关节不同角度的康复训练（尤其是被动康复训练）就显得尤为迫切了。然而，现有的踝关节康复训练设备结构过于复杂，工作空间小，成本较高，设计方法通用性不强。

发明内容

为了克服现有的踝关节康复训练设备结构过于复杂、工作空间小、成本较高、设计方法通用性不强等问题，本发明提供了一种踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法，通过最优化方法确定尺寸参数，从而在保证功能的前提下减小康复机器人的体积。本发明对于踝关节康复机器人的快速设计、分析优化，促进其在医疗康复领域的广泛应用，具有重要的学术意义与实用价值。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下所描述：

一种踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法，所述康复机器人采用3-PRS并联机构，确定尺寸参数时，采用最优化方法，以所述康复机器人的体积最小为优化目标，

目标函数为所述康复机器人的最小外接圆柱体的体积，所述最小外接圆柱体的轴线与所述3-PRS并联机构的立柱平行。

进一步，所述最小外接圆柱体指的是所述康复机器人工作状态下的最小外接圆柱体。

再进一步，最优化时，所述康复机器人的两个旋转自由度必须满足跖屈/背屈运动和内翻/外翻运动的范围要求；即两个旋转自由度的范围分别不小于跖屈/背屈运动和内翻/外翻运动的范围。

更进一步，所述最小外接圆柱体的半径确定方法是：将所述康复机器人在所有可能位姿下所有组成部件在水平面投影，以投影的最小外接圆半径作为最小外接圆柱体的半径。

本发明具有的有益效果是：

(1)本发明的踝关节康复机器人采用3-PRS并联结构，刚度质量比大，动态性能优越，运动精度高。

(2)本发明提供的尺寸参数确定方法，在保证有较大工作空间的基础上，缩小了机构的占用空间，减小机构重量，缩减成本，便于存放和搬运。

(3)本发明提供的尺寸参数确定方法，通用性强，可以应用到其他类似康复训练设备的优化设计。

附图说明

图1为踝关节运动示意图；

图2为踝关节康复机器人的结构简图；

图3为踝关节康复机器人的三维示意图。

具体实施方案

本发明的目的在于提供一种踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法。为了使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将通过实施方式对本发明作进一步地详细描述。

一种踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法，所述康复机器人采用3-PRS并联机构，确定尺寸参数时，采用最优化方法，以所述康复机器人的体积最小为优化目标，目标函数为所述康复机器人的最小外接圆柱体的体积，所述最小外接圆柱体的轴线与所述3-PRS并联机构的立柱平行。设计变量为定平台半径R、动平台半径r、立柱有效高度H、连杆的长度L。

本发明提供的尺寸参数确定方法，所述康复机器人采用所述3-PRS并联机构，所述3-PRS并联机构的具体结构详见发明专利《三连杆式并联结构机器人正解确定方法》(申请号：CN201410551405.4)、《3-PRS并联机构速度优化方法》(申请号：CN201510186692.8)、《带连杆变形误差检测的三自由度并联机构》(申请号：CN201610837174.2)等。

3-PRS(P为移动副，R为转动副，S为球面副)并联机构由三个对称的支链组成，每个支链都有一个连杆，它是[PP]S类并联机构的典型结构之一，具有结构简单、刚性大、承载能力高、结构紧凑等优点。所述3-PRS并联机构，也叫3-PRS并联结构、3-PRS并联结构机器人，或3-PRS机器人等，有3个运动自由度，即两个旋转的自由度和一个平移自由度。

踝关节类似于机械连接中的球形关节，具有三个旋转自由度，其中两个旋转自由度即跖屈/背屈运动和内翻/外翻运动(如图1所示)在人的日常活动中最为常用，绝大多数踝关节损伤患者是在这两个运动方向上受到的伤害。所述3-PRS并联机构两个旋转自由度可以完成踝关节康复中最重要的两个康复运动：背屈/跖屈和内翻/外翻运动；考虑到了患者坐在椅子上时的高度，所述3-PRS并联机构在垂直方向上的平移自由度使其在垂直方向上具有适应性。所述3-PRS并联机构的结构简图如图2所示，所述康复机器人的三维示意图如图3所示。

如图2和图3所示，基于所述3-PRS并联机构的所述康复机器人主要由固定平台、运动平台、三个连杆(L1、L2、L3)和三个立柱组成(B1C1、B2C2、B3C3)，所述运动平台通过三个球铰(P1、P2、P3)与三个连杆(L1、L2、L3)连接，三个连杆(L1、L2、L3)通过三个圆柱铰(C1、C2、C3)与三个滑座相连，三个滑座在三个立柱上做垂直滑动。为了说明的方便，下面球铰、球面副等待表相同的意思，不做区分。

图2中，连杆L1、L2、L3的长度相同，设为L；三个立柱B1C1、B2C2、B3C3的高度相等，有效高度设为H，有效高度指的是滑座可以垂直滑动的距离；三个立柱在水平面内的投影 (B1、B2、B3)呈正三角形，其外接圆半径为R；三个球铰(P1、P2、P3)呈正三角形，其外接圆半径为r。优化模型中，设计变量为定平台半径R、动平台半径r、立柱有效高度H、连杆的长度L。在工作时，动平台可以越过固定平台，到达图2所示的

区域。

如图1所示，最小外接圆柱体的轴线O1O2与三个立柱平行。

所述最小外接圆柱体指的是所述康复机器人工作状态下的最小外接圆柱体。如图2和图3所示，三个滑座在三个立柱上做垂直滑动，通过控制三个滑座上下滑动的高度来控制运动平台的两个旋转角度和一个移动的位移。

所述最小外接圆柱体指的是所述康复机器人工作状态下的最小外接圆柱体。最小指的是，能够包罗所述康复机器人的最小圆柱体。在工作时，运动平台在任何可能的位置和姿态(简称位姿)下，最小外接圆柱体是不同的。因此，最小指的是，运动平台在任何可能的位姿下，能够包罗所有可能的位姿的最小外接圆柱体。

如图1所示，当运动平台处于图中所示位姿时，所述最小外接圆柱体即为图中高度为H的部分。而当运动平台越过图中B1、B2、B3时，运动平台可达到下极限位置，则所述最小外接圆柱体又增加了图1所示的高度为

的圆柱体区域。

最优化模型由设计变量、目标函数和约束条件三部分构成。踝关节康复机器人的尺寸参数优化确定时，包含了大量的约束，主要是功能约束、结构约束等。

最优化时，所述康复机器人的两个旋转自由度必须满足跖屈/背屈运动和内翻/外翻运动的范围要求；即两个旋转自由度的范围分别不小于跖屈/背屈运动和内翻/外翻运动的范围。

两个旋转自由度可以完成踝关节康复中最重要的两个康复运动：背屈/跖屈和内翻/外翻运动。首先，在功能约束中，两个旋转自由度要满足踝关节的运动范围要求。学者们大量的研究已经确定了踝关节的运动范围，显然，最大范围是由每个患者自身情况决定的，所以对踝关节康复运动来说，必须针对每位患者的自身特征设置踝关节康复运动的条件。下表显示了在常见损伤的运动方向上踝关节所允许的最大运动范围。

设踝关节康复机器人的两个旋转自由度为α、β，则α、β的范围必须大于踝关节所允许的最大运动范围，以适应更多的康复患者。例如，当α对应于背翻/跖屈运动、β对应于内翻/外翻运动时，则α的范围必须不小于背翻/跖屈运动的范围，即背屈方向的最大转角必须不小于29.8°，跖屈方向的最大转角必须不小于40.8°；β的范围必须不小于内翻/外翻运动的范围，即内翻方向的最大转角必须不小于22.0°，外翻方向的最大转角必须不小于17.0°。

除了包含两个旋转自由度功能约束外，还涉及零部件强度、连杆干涉、球面副(铰)、转动副范围、动平台外接圆最小半径限制等。

所述最小外接圆柱体的半径确定方法是：将所述康复机器人在所有可能位姿下所有组成部件在水平面投影，以投影的最小外接圆半径作为最小外接圆柱体的半径。在工作时，运动平台在不同的位姿下，所述康复机器人的所有组成部件在水平面投影是不同的，所述最小外接圆和半径也是不同的。因此，必须是所述康复机器人所有可能的位姿态下在水平面内的投影的并集，即投影的叠加。运动平台在任何可能的位姿下，能够包罗所有可能的投影的最小外接圆和半径。投影时的水平面指的是与立柱垂直的平面。

本发明提供的踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法，在具体应用时包括以下步骤：

S1：构建踝关节康复机器人的结构参数优化目标函数，以所述康复机器人的所述最小外接圆柱体的体积为目标函数；

S2：确定踝关节康复机器人结构参数优化的约束条件，包括功能约束、结构约束等；

S3：采用合适的优化算法来求解结构参数。

步骤S1中，优化目标函数如下式：

(1)

其中,

是最小外接圆柱体的半径，是设计变量R、r、H、L的复杂函数，函数关系是确定的；

为图2中的

，是设计变量R、r、H、L的复杂函数，函数关系是确定的。

所述最小外接圆柱体的半径Rc可用前面所述的投影法确定。

也可采用投影法确定，方法是：在工作时，运动平台在任何可能的位姿下，将所述康复机器人的所有组成部件在垂直于水平面的平面上进行投影，以投影的最大高度作为

。在工作时，运动平台在不同的位姿下，所述康复机器人的所有组成部件在垂直于水平面的平面上的投影是不同的，投影的最大高度也是不同的。因此，必须是所述康复机器人所有可能的位姿态下在垂直于水平面的平面上的投影的并集，即投影的叠加。运动平台在任何可能的位姿下，能够包罗所有可能的投影的最小高度。投影时的平面与水平面垂直，即与立柱平行。

在实施的过程中，可以运动平台的外接圆半径r为基准，进行优化；即设r=1。此时，设计变量R、r、H、L只剩下3个R、H、L，得到的R、H、L优化结果其实相当于R、H、L与r的比值。在实际应用中，只要确定了r的实际值，就可确定R、H、L的实际值。此时，优化目标函数变为：

(2)。

3个转动副转角

(如图2所示)必须小于转动副的运动极限和机构的最大允许范围

，则约束为

(3)。

3个球面副(球铰)转角

(如图2所示)必须大于或等于球面副的运动极限和机构的最小允许范围

，则运动范围的约束为

(4)。

如图2所示，球面副(球铰)转角

为连杆处于运动平台之上，与运动平台所形成的锐角或直角。转动副转角、球面副(球铰)转角均为R、H、L与r的复杂函数，其函数关系是确定的。

则踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法的最优化数学模型的目标函数为式(2)，约束条件为两个旋转自由度的范围、式(3)、(4)，设计变量为R、H、L。

需要指出的是，图2仅是示例性质的，图中所示的情况刚好是所述最小外接圆柱体的半径与固定平台的外接圆半径相等，Rc=R。实际上，由于运动平台尺寸的不同，在工作时，运动平台可能超出图2所示的圆柱体区域，此时Rc>R。另外，实际应用中考虑到立柱体积，立柱上驱动电机的安装等，只需要在设计变量R、H等上叠加相应的常量即可。

以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述提示的技术内容做出的简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法，所述康复机器人采用3-PRS并联机构，其特征在于，确定尺寸参数时，采用最优化方法，以所述康复机器人的体积最小为优化目标，

2.根据权利要求1所述的踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法，其特征在于，所述最小外接圆柱体指的是所述康复机器人工作状态下的最小外接圆柱体。

3.根据权利要求2所述的踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法，其特征在于，最优化时，所述康复机器人的两个旋转自由度必须满足跖屈/背屈运动和内翻/外翻运动的范围要求；即两个旋转自由度的范围分别不小于跖屈/背屈运动和内翻/外翻运动的范围。

4.根据权利要求3所述的踝关节康复机器人的尺寸参数确定方法，其特征在于，所述最小外接圆柱体的半径确定方法是：将所述康复机器人在所有可能位姿下所有组成部件在水平面投影，以投影的最小外接圆半径作为最小外接圆柱体的半径。