CN111568693B - 平面两自由度展腿机构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平面两自由度展腿机构及控制方法，其包括椅背模块、三根导向柱、电机安装框、两组直线驱动装置、移动滑块、展腿滑块、两组前连杆、两组后连杆、左撑开杆、右撑开杆和腿部连接板。三根导向柱和电机安装框固定在椅背模块上，移动滑块和展腿滑块可沿导向柱移动；移动滑块、前连杆、后连杆和展腿滑块构成平行四边形机构，展腿滑块、撑开杆、后连杆、移动滑块构成曲柄滑块机构。移动滑块和展腿滑块分别由两组直线驱动装置驱动，实现腿部连接板位置的调节。本发明结构简单，占用空间小，可以调节腿部连接板髋关节转动中心的位置，适应不同体型的患者，且可以作为一个模块组合到任意一款坐卧式下肢康复机器人上。

Description

平面两自由度展腿机构及控制方法

技术领域

本发明属于医疗机器人技术领域的展腿机构，特别涉及一种平面两自由度展腿机构及控制方法。

背景技术

对于下肢运动功能障碍的患者，除了接受早期的手术治疗和必要的药物治疗外，利用康复机器人提供科学合理的康复训练，已成为提高患者康复质量、降低家庭和社会负担的必由之路。坐卧式下肢康复机器人是康复机器人的一种类型，能够帮助患者在坐姿或卧姿的状态下进行一定的主动或被动下肢康复训练，现有的坐卧式下肢康复机器人的单下肢一般有3个自由度，即髋关节、膝关节、踝关节各有一个转动自由度，大部分不具有下肢机械腿宽度调节和前后调节的功能，不能适应不同体型的患者。

现有专利CN110179623A提出了一种新型下肢康复机器人，其包括两组对称的腿部外骨骼结构、座椅机构和虚拟现实系统。该发明的康复机器人结构简单，安装方便，可以控制关节运动角度为患者提供康复训练，可以为患者各个关节提供康复训练，同时康复训练位置较为单一。

现有专利CN111035538A提出了一种关节模组直驱坐卧式下肢康复机器人，其包括能横向调节宽度的两个机械腿支架、座椅组件和移动架。该发明可以调节髋关节的宽度和摆动幅度，适应不同体型不同身高的人群的康复训练，同时该发明结构较为复杂，整体质量较大。

现有专利CN110680676A提出了一种下肢康复机器人的康复腿，其包括机械腿主体、底板、固定板和支撑架。该下肢机器人可以实现机械腿宽度的调节，还未能实现对机械腿前后位置的调节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服背景技术存在的不足，针对坐卧式下肢康复机器人，提供一种平面两自由度展腿机构，该展腿机构结构简单，重量轻，能安装在椅背上，相对于椅背，可实现机械腿髋关节在前后方向和左右方向的调节，满足不同体型的患者需求。

本发明提供一种平面两自由度展腿机构，其包括椅背模块、三根导向柱、电机安装框、移动滑块、展腿滑块、第一直线驱动装置、第二直线驱动装置、两组前连杆、两组后连杆、左撑开杆、右撑开杆、左腿连接板和右腿连接板，所述椅背模块包括前背板、后背板、盖板和底板，前背板与后背板平行布置，盖板、底板分别布置在前背板与后背板所围区域的上方、下方，前背板与后背板通过轴线平行设置的导向柱相连，所述电机安装框固定在前背板上；所述移动滑块与展腿滑块布置在三根导向柱上，并分别与三根导向柱构成移动副，所述第一直线驱动装置固定在电机安装框上，可驱动移动滑块沿导向柱移动，所述第二直线驱动装置固定在电机安装框上，可驱动展腿滑块沿导向柱移动；所述两组前连杆结构完全相同，左前连杆的第一端通过转动副与移动滑块连接，左前连杆的第二端通过转动副与左腿连接板的第一端连接，右前连杆的第一端通过转动副与移动滑块连接，右前连杆的第二端通过转动副与右腿连接板的第一端连接；所述两组后连杆结构完全相同，左后连杆的第一端通过转动副与移动滑块连接，左后连杆的第二端通过转动副与左撑开杆的第二端连接，左后连杆的第三端通过转动副与左腿连接板的第二端连接；右后连杆的第一端通过转动副与移动滑块连接，右后连杆的第二端通过转动副与右撑开杆连接，右后连杆的第三端通过转动副与右腿连接板的第二端连接；所述左撑开杆的第一端通过转动副与展腿滑块连接，左撑开杆的第二端通过转动副与左后连杆的第二端连接；所述右撑开杆的第一端通过转动副与展腿滑块连接，右撑开杆的第二端通过转动副与右后连杆的第二端连接；所述移动滑块、左前连杆、左后连杆和左腿连接板构成平行四边形机构，移动滑块、右前连杆、右后连杆和右腿连接板构成平行四边形机构；所述展腿滑块、左撑开杆、左后连杆和移动滑块构成曲柄滑块机构，展腿滑块、右撑开杆、右后连杆和移动滑块构成曲柄滑块机构。

优选地，所述三根导向柱均为圆柱，呈倒三角布置，所述三根导向柱穿过电机安装框，且电机安装框、移动滑块、展腿滑块在三根导向柱上按顺序依次布置。

优选地，所述第一直线驱动装置包括第一驱动电机、第一驱动丝杠、第一驱动丝母和第一丝杠座，第一直线驱动装置的轴线与导向柱轴线平行，第一驱动电机与电机安装框固定连接，第一丝杠座与后背板固定连接，第一驱动丝母与移动滑块固定连接；所述第二直线驱动装置包括第二驱动电机、第二驱动丝杠、第二驱动丝母和第二丝杠座构成，第二直线驱动装置的轴线与导向柱轴线平行，第二驱动电机与电机安装框固定连接，第二丝杠座与后背板固定连接，第二驱动丝母与展腿滑块固定连接。

优选地，所述两组前连杆以移动滑块中轴线为轴线呈对称布置，所述两组后连杆以移动滑块中轴线为轴线呈对称布置；所述前连杆两端转动副的轴线、所述后连杆三端转动副的轴线、所述左撑开杆两端转动副的轴线、所述右撑开杆两端转动副的轴线均互相平行，且垂直于导向柱轴线。

优选地，所述左撑开杆和展腿滑块构成的转动副轴线与所述右撑开杆和展腿滑块构成的转动副轴线重合。

优选地，所述移动滑块、左前连杆、左后连杆和左腿连接板能构成普通四边形机构，所述移动滑块、右前连杆、右后连杆和右腿连接板能构成普通四边形机构。

优选地，当两个前连杆为一体式结构时，通过转动副分别与移动滑块和腿部模块连接，当两个后连杆为一体式结构时，通过转动副分别与移动滑块、左撑开杆、右撑开杆和腿部模块连接；当两个前连杆为分体式结构时，两个前连杆的转动副轴线同轴，通过转动副分别与移动滑块和腿部模块连接，当两个后连杆为分体式结构时，两根后连杆的转动副轴线同轴，通过转动副分别与移动滑块、腿部模块、左撑开杆和右撑开杆连接。

一种基于所述平面两自由度展腿机构的控制方法，当控制第一直线驱动装置与第二直线驱动装置协调运动，保持移动滑块与展腿滑块的相对距离恒定，则机械腿髋关节仅实现前后方向的调节；当保持第一直线驱动装置不动，驱动第二直线驱动装置，或者保持第二直线驱动装置不动，驱动第一直线驱动装置，则机械腿髋关节仅实现左右方向的调节；当同时驱动第一直线驱动装置与第二直线驱动装置，并使移动滑块与展腿滑块的相对距离改变，则机械腿髋关节不仅实现前后方向的调节，也实现左右方向上的调节。

本发明与现有技术相比，其优势在于：

(1)本发明的展腿机构可以调节机械腿髋关节转动中心的位置，适应不同体型的患者，适用范围广；

(2)本发明的展腿机构利用曲柄滑块机构和平行四边形机构实现调节功能，结构简单，占用空间小；

(3)本发明的展腿机构可以作为一个模块组合到任意一款坐卧式下肢康复机器人上。

附图说明

图1是本发明整体结构的示意图；

图2是本发明整体结构的仰视图；

图3是本发明的机构示意图；

图4是本发明导向柱、电机安装框、移动滑块、展腿滑块和两组直线驱动装置的结构示意图；

图5是本发明一体式前连杆的结构示意图；

图6是本发明的分体式前连杆的结构示意图；

图7是本发明的椅背模块、曲柄滑块机构和平行四边形机构示意图；以及

图8是本发明的电机安装框、两套驱动系统、移动滑块和展腿滑块。

附图标记：

1-椅背模块；2-导向柱；3-电机安装框；4-第一驱动装置；5-第二驱动装置；6-移动滑块；7-展腿滑块；8-前连杆；9-后连杆；10-左撑开杆；11-右撑开杆；12-左腿连接板；13-右腿连接板；

101-前背板；102-后背板；103-盖板；104-底板；201-第一导向柱；202-第二导向柱；203-第三导向柱；401-第一驱动电机；402-第一驱动丝杠；403-第一驱动丝母；404-第一丝杠座；501-第二驱动电机；502-第二驱动丝杠；503-第二驱动丝母；504-第二丝杠座；801-左前连杆；802-右前连杆；901-左后连杆；902-右后连杆。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明的示例性实施例，主要介绍实施例的结构特征、工作方式以及主要功能。但本发明并不局限于以下实施例。

如图1-图3所示，本发明提供一种平面两自由度展腿机构，其包括椅背模块1、三根导向柱2、电机安装框3、第一直线驱动装置4、第二直线驱动装置5、移动滑块6、展腿滑块7、两组前连杆8、两组后连杆9、左撑开杆10、右撑开杆11、左腿连接板12和右腿连接板13，按图1方位进行描述，整体结构类似一个背包置于人体后侧，人体背部与椅背模块1后侧贴合，人朝向右上方，左腿连接板12与左腿贴合，右腿连接板13与右腿贴合。椅背模块1包括前背板101、后背板102、盖板103和底板104，前背板101与后背板102平行布置，盖板103布置在前背板101与后背板102所围区域的上方，底板104布置在前背板101与后背板102所围区域的下方；第一导向柱201、第二导向柱202和第三导向柱203结构完全相同，布置在前背板101与后背板102所围区域之间，三根导向柱2的第一端均固定在前背板101上，其第二端均固定在后背板102上，且三根导向柱2的轴线相互平行，并与前背板101平面垂直；电机安装框3固定在前背板101上，布置在椅背模块1所围区域之间。

如图4和图8所示，第一直线驱动装置4包括第一驱动电机401、第一驱动丝杠402、第一驱动丝母403和第一丝杠座404，第一直线驱动装置4的轴线与导向柱2轴线平行，第一驱动电机401与电机安装框3固定连接，第一丝杠座404与后背板102固定连接，第一驱动丝母403与移动滑块6固定连接，移动滑块6布置在三根导向柱2上，与三根导向柱2构成移动副，第一驱动电机401转动，第一驱动丝母403带动移动滑块6沿导向柱2移动，以实现机械腿髋关节在前后方向的调节，此时需要第二直线驱动装置5作配合运动，目的是保持移动滑块6与展腿滑块7相对距离的恒定。

如图4和图8所示，第二直线驱动装置5包括第二驱动电机501、第二驱动丝杠502、第二驱动丝母503和第二丝杠座504，第二直线驱动装置5的轴线与三根导向柱2轴线平行，第二驱动电机501与电机安装框3固定连接，第二丝杠座504与后背板102固定连接，第二驱动丝母503与展腿滑块7固定连接，展腿滑块7布置在三根导向柱2上，与三根导向柱2构成移动副，第二驱动电机501转动，第二驱动丝母503带动展腿滑块7沿导向柱2移动。

如图2、图3、图4和图7所示，两组前连杆8结构完全相同，左前连杆801的第一端通过转动副与移动滑块6连接，第二端通过转动副与左腿连接板12的第一端连接，右前连杆802的第一端通过转动副与移动滑块6连接，第二端通过转动副与右腿连接板13的第一端连接。两组后连杆9结构完全相同，左后连杆901的第一端通过转动副与移动滑块6连接，第二端通过转动副与左撑开杆10的第二端连接，第三端通过转动副与左腿连接板12的第二端连接；右后连杆902的第一端通过转动副与移动滑块6连接，第二端通过转动副与右撑开杆11连接，第三端通过转动副与右腿连接板13的第二端连接。

两组前连杆8第一端和第二端转动副的轴线与两组后连杆9第一端、第二端和第三端转动副的轴线互相平行。移动滑块6、左前连杆801、左后连杆901和左腿连接板构成平行四边形机构，移动滑块6、右前连杆802、右后连杆902和右腿连接板13构成平行四边形机构。

左撑开杆10的第一端通过转动副与展腿滑块7连接，左撑开杆10的第二端通过转动副与左后连杆901的第二端连接；右撑开杆11的第一端通过转动副与展腿滑块7连接，右撑开杆11的第二端通过转动副与右后连杆902的第二端连接。

两组后连杆9第一端、第二端和第三端转动副的轴线与左撑开杆10、右撑开杆11的第一端和第二端转动副的轴线互相平行，且垂直于导向柱2的轴线；展腿滑块7、左撑开杆10、左后连杆901和移动滑块6构成曲柄滑块机构，其中，左后连杆901为曲柄，左撑开杆10为连杆，移动滑块6作为左后连杆901与左撑开杆10间的转动副，展腿滑块7为滑块；保持第一直线驱动装置4静止，使移动滑块6静止，当展腿滑块7在第二驱动电机501作用下运动时，经左撑开杆10传动，使作为曲柄的左后连杆901产生转动，在移动滑块6、左前连杆801、左后连杆901和左腿连接板构成的平行四边形机构的作用下，左腿连接板12作平动，从而改变了左腿连接板12和右腿连接板13的间距，实现了机械腿髋关节在左右方向的调节。展腿滑块7、右撑开杆11、右后连杆902和移动滑块6也构成曲柄滑块机构，与上述运动原理相同，不再赘述。

优选地，三根导向柱2均为圆柱，呈倒三角布置。三根导向柱2穿过电机安装框3，且电机安装框3、移动滑块6、展腿滑块7在三根导向柱2上按顺序依次布置，如图3所示。

进一步地，如图5和图6所示，前连杆8和后连杆9既可以是一体的，即一组前连杆8为一个整体，通过转动副分别与移动滑块6和腿部模块连接，一组后连杆9为一个整体，通过转动副分别与移动滑块6、左撑开杆10、右撑开杆11和腿部模块连接；也可以是分体式的，即一组前连杆8由两根前连杆构成，两根前连杆8的转动副轴线同轴，通过转动副分别与移动滑块6和腿部模块连接，一组后连杆9由两根后连杆构成，两根后连杆9的转动副轴线同轴，通过转动副分别与移动滑块6、腿部模块、左撑开杆10和右撑开杆11连接。

优选地，左撑开杆10与展腿滑块7构成的转动副轴线和右撑开杆11与展腿滑块7构成的转动副轴线同轴，两组前连杆8以移动滑块6的中轴线为轴线呈对称布置，两组后连杆9以移动滑块6的中轴线为轴线呈对称布置。

优选地，左前连杆801、左后连杆901、移动滑块6和左腿连接板12可以构成普通四边形机构，右前连杆802、右后连杆902、移动滑块6和右腿连接板13可以构成普通四边形机构，左腿连接板12和右腿连接板13的运动轨迹好规律会有所不同。

前后移动的调节：

首先，将与移动滑块6相连的第一直线驱动装置4和与展腿滑块7相连的第二直线驱动装置5作为驱动，此时移动滑块6和展腿滑块7将同时沿导向柱2移动，保持移动滑块6和展腿滑块7相对距离不变，可以带动左腿连接板12和右腿连接板13实现前后方向距离的调节，并且不影响左腿连接板12和右腿连接板13在左右方向的距离调节。

左右移动的调节：

首先，固定与移动滑块6相连的第一直线驱动装置4，移动滑块6不移动，接着将与展腿滑块7相连的第二直线驱动装置5作为驱动，展腿滑块7沿导向柱2移动，通过与展腿滑块7相连接的左撑开杆10和右撑开杆11来驱动后连杆9绕转动副转动，从而能够实现左腿连接板12和右腿连接板13在左右方向的距离调节，此时展腿滑块7、左撑开杆10、左后连杆901和移动滑块6构成一个曲柄滑块机构，展腿滑块7、右撑开杆11、右后连杆902和移动滑块6构成一个曲柄滑块机构。最后，在运动结束后，同时驱动移动滑块6和展腿滑块7，可以补偿因左右方向距离调节带来的前后方向距离的变化。

只有当移动滑块6或展腿滑块7单独移动时，前后方向与左右方向的距离才会同时发生变化，两个方向的运动是耦合的。

以上所述各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解：其依然能对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种平面两自由度展腿机构，其包括椅背模块、三根导向柱、电机安装框、移动滑块、展腿滑块、第一直线驱动装置、第二直线驱动装置、两组前连杆、两组后连杆、左撑开杆、右撑开杆、左腿连接板和右腿连接板，其特征在于：

所述椅背模块包括前背板、后背板、盖板和底板，前背板与后背板平行布置，盖板、底板分别布置在前背板与后背板所围区域的上方、下方，前背板与后背板通过轴线平行设置的导向柱相连，所述电机安装框固定在前背板上；

所述移动滑块与展腿滑块布置在三根导向柱上，并分别与三根导向柱构成移动副，所述第一直线驱动装置固定在电机安装框上，可驱动移动滑块沿导向柱移动，所述第二直线驱动装置固定在电机安装框上，可驱动展腿滑块沿导向柱移动；

所述两组前连杆结构相同，左前连杆的第一端通过转动副与移动滑块连接，左前连杆的第二端通过转动副与左腿连接板的第一端连接，右前连杆的第一端通过转动副与移动滑块连接，右前连杆的第二端通过转动副与右腿连接板的第一端连接；所述两组后连杆结构相同，左后连杆的第一端通过转动副与移动滑块连接，左后连杆的第二端通过转动副与左撑开杆的第二端连接，左后连杆的第三端通过转动副与左腿连接板的第二端连接；右后连杆的第一端通过转动副与移动滑块连接，右后连杆第二端通过转动副与右撑开杆连接，右后连杆的第三端通过转动副与右腿连接板的第二端连接；

所述左撑开杆的第一端通过转动副与展腿滑块连接，左撑开杆的第二端通过转动副与左后连杆的第二端连接；所述右撑开杆的第一端通过转动副与展腿滑块连接，右撑开杆的第二端通过转动副与右后连杆的第二端连接；

所述移动滑块、左前连杆、左后连杆和左腿连接板构成平行四边形机构，移动滑块、右前连杆、右后连杆和右腿连接板构成平行四边形机构；所述展腿滑块、左撑开杆、左后连杆和移动滑块构成曲柄滑块机构，展腿滑块、右撑开杆、右后连杆和移动滑块构成曲柄滑块机构。

2.根据权利要求1所述的平面两自由度展腿机构，其特征在于：所述三根导向柱均为圆柱，呈倒三角布置，所述三根导向柱穿过电机安装框，且电机安装框、移动滑块、展腿滑块在三根导向柱上按顺序依次布置。

3.根据权利要求1所述的平面两自由度展腿机构，其特征在于：所述第一直线驱动装置包括第一驱动电机、第一驱动丝杠、第一驱动丝母和第一丝杠座，第一直线驱动装置的轴线与导向柱轴线平行，第一驱动电机与电机安装框固定连接，第一丝杠座与后背板固定连接，第一驱动丝母与移动滑块固定连接；

所述第二直线驱动装置包括第二驱动电机、第二驱动丝杠、第二驱动丝母和第二丝杠座构成，第二直线驱动装置的轴线与导向柱轴线平行，第二驱动电机与电机安装框固定连接，第二丝杠座与后背板固定连接，第二驱动丝母与展腿滑块固定连接。

4.根据权利要求1所述的平面两自由度展腿机构，其特征在于：所述两组前连杆以移动滑块中轴线为轴线呈对称布置，所述两组后连杆以移动滑块中轴线为轴线呈对称布置；

所述前连杆两端转动副的轴线、所述后连杆三端转动副的轴线、所述左撑开杆两端转动副的轴线、所述右撑开杆两端转动副的轴线均互相平行，且垂直于导向柱轴线。

5.根据权利要求1所述的平面两自由度展腿机构，其特征在于：所述左撑开杆和展腿滑块构成的转动副轴线与所述右撑开杆和展腿滑块构成的转动副轴线重合。

6.根据权利要求1所述的平面两自由度展腿机构，其特征在于：所述移动滑块、左前连杆、左后连杆和左腿连接板能构成普通四边形机构，所述移动滑块、右前连杆、右后连杆和右腿连接板能构成普通四边形机构。

7.根据权利要求1所述的平面两自由度展腿机构，其特征在于：当两个前连杆为一体式结构时，通过转动副分别与移动滑块和腿部模块连接，当两个后连杆为一体式结构时，通过转动副分别与移动滑块、左撑开杆、右撑开杆和腿部模块连接；

当两个前连杆为分体式结构时，两个前连杆的转动副轴线同轴，通过转动副分别与移动滑块和腿部模块连接，当两个后连杆为分体式结构时，两个后连杆的转动副轴线同轴，通过转动副分别与移动滑块、腿部模块、左撑开杆和右撑开杆连接。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的平面两自由度展腿机构的控制方法，其特征在于：

控制第一直线驱动装置与第二直线驱动装置协调运动，保持移动滑块与展腿滑块的相对距离恒定，则机械腿髋关节仅实现前后方向的调节；

保持第一直线驱动装置不动，驱动第二直线驱动装置，或者保持第二直线驱动装置不动，驱动第一直线驱动装置，则机械腿髋关节仅实现左右方向的调节；

同时驱动第一直线驱动装置与第二直线驱动装置，并使移动滑块与展腿滑块的相对距离改变，则机械腿髋关节不仅实现前后方向的调节，也实现左右方向上的调节。

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