CN111700774B - 一种运动解耦的踝关节拟合机构 - Google Patents

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Abstract

本发明一种运动解耦的踝关节拟合机构，包括静平台、过渡平台、动平台、A杆、B杆、C杆和UPS支链；所述A杆的上端与过渡平台的一个过渡平台二号铰支座通过转动副连接，A杆的下端与B杆的上端转动连接，B杆的下端与动平台的一个动平台铰支座转动连接；C杆的两端分别与过渡平台的另一个过渡平台二号铰支座和动平台的另一个动平台铰支座转动连接；静平台的两端分别与过渡平台的两个过渡平台一号铰支座转动连接；UPS支链位于动平台的后侧，与静平台、过渡平台和C杆均不干涉；UPS支链的上端与静平台的中部通过球面副连接，UPS支链的下端通过虎克铰与动平台的后侧连接。该机构实现了距小腿关节和距下关节的解耦，结构更加接近踝关节的真实结构，拟合精度更高。

Description

一种运动解耦的踝关节拟合机构
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，具体涉及一种运动解耦的踝关节拟合机构。
背景技术
踝关节是人体的重要关节，是支撑身体重量、推动人体蹬离地面的能量枢纽，同时踝关节也是最容易由于体重或者外部冲击导致损伤的关节。随着老龄化及偏瘫患者的加剧，踝关节的运动康复问题日益严重。人体踝关节包括距下关节、距小腿关节和跟腱等，距下关节主要负责踝关节的跖屈和背屈，距小腿关节主要负责踝关节的内外旋/内外翻，距下关节和距小腿关节两者的运动相对独立。现有的踝关节拟合机构通常将其等效为广义球面机构、球面副或者两个回转副，这些等效运动都将距下关节和距小腿关节的运动合并在一起，忽略了距下关节和距小腿关节的真实运动状况，因此机构的拟合程度较低。
发明内容
针对现有技术上的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种运动解耦的踝关节拟合机构。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种运动解耦的踝关节拟合机构，包括静平台、过渡平台、动平台、A杆、B杆、C杆和UPS支链；其特征在于，
所述动平台上均匀设有两个动平台铰支座，两个动平台铰支座的回转轴线位于动平台的左右分割面上；过渡平台的上部均匀设有两个过渡平台一号铰支座，两个过渡平台一号铰支座均匀分布于过渡平台左右分割面的两侧；过渡平台的下部均匀设有两个过渡平台二号铰支座，两个过渡平台二号铰支座的回转轴线位于过渡平台的左右分割面上，两个过渡平台一号铰支座回转中心连线的中点为点N；
所述A杆的上端与过渡平台的一个过渡平台二号铰支座通过转动副连接，A杆的下端与B杆的上端通过转动副连接，B杆的下端与动平台的一个动平台铰支座通过转动副连接；C杆的两端分别通过转动副与过渡平台的另一个过渡平台二号铰支座和动平台的另一个动平台铰支座连接；A杆、B杆和C杆各个连接位置的回转轴线交于点M，点M为该机构的动球心；点M在过渡平台上的投影始终与点N重合，点M始终绕着点N做球面运动；A杆两端回转轴线的夹角与B杆两端回转轴线夹角之和等于C杆两端回转轴线的夹角；静平台的两端分别与过渡平台的两个过渡平台一号铰支座通过转动副连接；UPS支链位于动平台的后侧，与静平台、过渡平台和C杆均不干涉；UPS支链的上端与静平台的中部通过球面副连接，UPS支链的下端通过虎克铰与动平台的后侧连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明在静平台和动平台之间加入过渡平台，其中过渡平台等效为人体的距骨，过渡平台和静平台构成人体的距小腿关节；过渡平台与动平台构成人体的距下关节；UPS支链为无约束支链，等效为人体脚踝的跟腱；将该机构的三个自由度分成1+2的形式，即距小腿关节的一个自由度，距下关节的两个自由度，距小腿关节和跟腱拟合踝关节的背屈/跖屈，距下关节拟合踝关节的内外旋/内外翻；而在真实的人体踝关节中，距小腿关节也只负责踝关节的跖屈/背屈，距下关节也只负责踝关节的内外翻/内外旋，因此与现有的踝关节拟合机构相比，本申请实现了距小腿关节和距下关节的解耦，即踝关节的背屈跖屈与内外旋/内外翻的运动互不影响，结构更加接近踝关节的真实结构，其运动自由度与人体踝关节真实的运动自由度相同，拟合精度更高。
2.本发明在过渡平台与静平台任意一个连接位置转动副，这个转动副作为输入控制过渡平台和静平台的相对运动，实现踝关节的跖屈和背屈；在过渡平台与A杆、C杆连接的位置分别添加转动副，这两个转动副为输入，实现踝关节的内外翻/内外旋；实现了踝关节的跖屈和背屈、内外翻/内外旋运动的解耦，为康复机器人的踝关节机构的型综合和控制都奠定了理论基础。
3.在进行本发明的机构进行运动学分析时，由于A杆、B杆和C杆的结构简单，因此在工作空间存在的奇异点较少，同时本发明又结构设计实现了踝关节的解耦，可通过控制电机来避免机构产生的奇异位型，更加有利于踝关节的拟合；且运动学分析十分简单；A杆、B杆和C杆的精度要求低，使加工更加容易，成本更低。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的子闭环支链的连接示意图；
图3为本发明的UPS支链的结构示意图；
图中：1、静平台；2、动平台；3、过渡平台；4、A杆；5、UPS支链；6、B杆；7、C杆；21、动平台铰支座；31、过渡平台一号铰支座；32、过渡平台二号铰支座；51、一号推杆；52、二号推杆；53、虎克铰。
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，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供一种运动解耦的踝关节拟合机构(简称机构，参见图1-3)，包括静平台1、过渡平台3、动平台2、A杆4、B杆6、C杆7和UPS支链5；
所述动平台2上均匀设有两个动平台铰支座21，两个动平台铰支座21的回转轴线位于动平台2的左右分割面上；过渡平台3的上部均匀设有两个过渡平台一号铰支座31，两个过渡平台一号铰支座31的回转轴线位于过渡平台3左右分割面的两侧；过渡平台3的下部均匀设有两个过渡平台二号铰支座32，两个过渡平台一号铰支座31的回转轴线位于过渡平台3的左右分割面两侧，两个过渡平台一号铰支座31回转中心连线的中点为点N；
所述A杆4的上端与过渡平台3的一个过渡平台二号铰支座32通过转动副连接，A杆4的下端与B杆6的上端通过转动副连接，B杆6的下端与动平台2的一个动平台铰支座21通过转动副连接；C杆7的两端分别通过转动副与过渡平台3的另一个过渡平台二号铰支座32和动平台2的另一个动平台铰支座21连接；过渡平台3、A杆4、B杆6、动平台2和C杆7共同构成子闭环支链；A杆4、B杆6和C杆7各个连接位置的回转轴线交于点M，点M为该机构的动球心；点M在过渡平台3上的投影始终与点N重合，点M始终绕着点N做球面运动；A杆4两端回转轴线的夹角与B杆6两端回转轴线夹角之和等于C杆7两端回转轴线的夹角；静平台1的两端分别与过渡平台3的两个过渡平台一号铰支座31通过转动副连接；UPS支链5位于动平台2的后侧，与静平台1、过渡平台3和C杆7均不干涉；UPS支链5的上端与静平台1的中部通过球面副连接，UPS支链5的下端通过虎克铰与动平台2的后侧连接。
所述UPS支链5包括虎克铰53、一号推杆51和二号推杆52；一号推杆51的上端与静平台1的中部通过球面副连接，一号推杆51的下端从二号推杆52的上端伸入二号推杆52内，与二号推杆52形成移动副；二号推杆52的下端通过虎克铰53与动平台2连接，实现UPS支链5与动平台2的转动。
在实际应用中，一号推杆51和二号推杆52共同构成该机构的助力构件，具体为电动推杆或液压缸；为电动推杆时，一号推杆51作为电动推杆的伸缩杆，二号推杆52作为电动推杆的缸筒；为液压缸时，一号推杆51作为液压缸的伸缩杆，二号推杆52作为液压缸的缸筒，通过电动推杆或液压缸的伸缩为脚蹬地离开地面的瞬间提供助力。
所述C杆7与动平台2的连接位置位于动平台2的左右分割面上，为踝关节跖屈和背屈运动省能，同时还增加美观性。
本发明的工作原理和工作流程是：
该机构应用在康复机器人的踝关节时，过渡平台3等效于人体的距骨，静平台1与过渡关节3构成距小腿关节，过渡平台3与动平台2构成距下关节；在过渡平台3的任意一个过渡平台一号铰支座31处加装电机，电机运作带动过渡平台3相对于静平台1转动，即实现距小腿关节转动，静平台1带动UPS支链5的一号推杆51相对于二号推杆52移动，二号推杆52相对于动平台2前后转动，实现踝关节的背屈和跖屈，此时子闭环支链上的所有转动副均不发生转动；
由于人体中踝关节内外翻与内外旋的运动是同时发生的，所以设计时也同时保证它们的运动耦合；子闭环支链为空间球面五杆机构，内外翻与内外旋为耦合运动，所以要想单纯的实现一种运动形式必须由两个电机同时控制，两个电机始终保持转动方向相反；具体实现过程为：在过渡平台3的两个过渡平台二号铰支座32处均加装电机，这两个电机均固定在过渡平台3上，靠近UPS支链5的电机转速小于或等于另一个电机转速，两个电机始终保持转动方向相反，这样使C杆7与A杆4和B杆6均发生错位，此时子闭环支链上的所有转动副均发生回转(由上至下各个转动副的转动角度依次减小)，动平台2转动，实现该踝关节的内外翻和内外旋(即内翻和内旋同时、外翻和外旋同时)，同时动平台2的转动传递至虎克铰53，进而实现一号推杆51与二号推杆52发生相对移动，此时过渡平台3的两个一号铰支座31与静平台1连接的两个转动副均不转动；
内外翻的实现形式为：当两个过渡平台二号铰支座32处的电机均保持转速和转向相同，此时只有两个过渡平台二号铰支座32处的转动副在运动，子闭环支链上的其他转动副均不运动(不考虑惯性)，此时可以实现单纯的内外翻，为了有效的拟合人体踝关节，这种情况一般不考虑。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种运动解耦的踝关节拟合机构，包括静平台、过渡平台、动平台、A杆、B杆、C杆和UPS支链；其特征在于，
所述动平台上均匀设有两个动平台铰支座，两个动平台铰支座的回转轴线位于动平台的左右分割面上；过渡平台的上部均匀设有两个过渡平台一号铰支座，两个过渡平台一号铰支座均匀分布于过渡平台的左右分割面的两侧；过渡平台的下部均匀设有两个过渡平台二号铰支座，两个过渡平台二号铰支座的回转轴线位于过渡平台的左右分割面上，两个过渡平台一号铰支座回转中心连线的中点为点N；
所述A杆的上端与过渡平台的一个过渡平台二号铰支座通过转动副连接，A杆的下端与B杆的上端通过转动副连接，B杆的下端与动平台的一个动平台铰支座通过转动副连接；C杆的两端分别通过转动副与过渡平台的另一个过渡平台二号铰支座和动平台的另一个动平台铰支座连接；A杆、B杆和C杆各个连接位置的回转轴线交于点M，点M为该机构的动球心；点M在过渡平台上的投影始终与点N重合，点M始终绕着点N做球面运动；A杆两端回转轴线的夹角与B杆两端回转轴线夹角之和等于C杆两端回转轴线的夹角；静平台的两端分别与过渡平台的两个过渡平台一号铰支座通过转动副连接；UPS支链位于动平台的后侧，与静平台、过渡平台和C杆均不干涉；UPS支链的上端与静平台的中部通过球面副连接，UPS支链的下端通过虎克铰与动平台的后侧连接；
所述UPS支链包括虎克铰、一号推杆和二号推杆；一号推杆的上端与静平台的中部通过球面副连接，一号推杆的下端伸入二号推杆内，与二号推杆形成移动副；二号推杆的下端通过虎克铰与动平台转动连接。
2.根据权利要求1所述的运动解耦的踝关节拟合机构，其特征在于，在实际应用中，一号推杆和二号推杆共同构成该机构的助力构件，助力构件具体为电动推杆或液压缸。
3.根据权利要求2所述的运动解耦的踝关节拟合机构，其特征在于，助力构件为电动推杆时，一号推杆作为电动推杆的伸缩杆，二号推杆作为电动推杆的缸筒。
4.根据权利要求2所述的运动解耦的踝关节拟合机构，其特征在于，助力构件为液压缸时，一号推杆作为液压缸的伸缩杆，二号推杆作为液压缸的缸筒。
5.根据权利要求1-4任一所述的运动解耦的踝关节拟合机构，其特征在于，所述C杆与动平台连接位置位于动平台的左右分割面上。
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