CN111759678B - 一种腿部康复四自由度并联机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种腿部康复四自由度并联机器人，属于工业机器人领域。本发明包括上下分布的静平台和动平台，静平台和动平台之间连接有第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，第一支链、第二支链和第三支链均包括主动臂和从动臂，主动臂和从动臂之间通过转动副连接，主动臂的顶端与静平台铰接，从动臂的底端与动平台铰接；第四支链的上部与静平台铰接，第四支链的下部转动配合穿过动平台，且第四支链的底部设置有脚部支架。本发明的针对现有技术中腿部训练机器人技术应用仍有进化空间的现状，拟提供一种腿部康复四自由度并联机器人，所具有的四个自由度可以模拟膝踝关节及髋关节康复训练的运动方式，应用方便且康复效果较好。

Description

一种腿部康复四自由度并联机器人
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，更具体地说，涉及一种腿部康复四自由度并联机器人。
背景技术
膝关节和踝关节是人体的承重关节且参与运动，极易损伤，其术后康复训练尤为重要。目前，膝踝关节的康复训练主要依赖于康复师的指导训练，而用于膝踝关节康复训练的机器人很少有实际应用，无法满足人们居家进行膝关节康复训练的便捷性要求。因此，随着机器人技术的高速发展，设计一种机器人机构用来辅助人们进行腿部的康复训练显得尤为重要。
经检索，中国专利申请号：2014100824800，发明创造名称为：六自由度腿部康复训练机器人，该申请案包括机架、伺服电机、三条运动支链、训练踏板，运动支链通过虎克铰链机构与伺服电机连接，第一伺服电机与虎克铰链机构中的第三转动铰链连接，第三转动铰链通过第二连杆与第二转动铰链连接，第二转动铰链通过第一连杆与第一转动铰链连接，第二伺服电机与虎克铰链机构中的U形件连接；第一转动铰链和第三转动铰链两者的轴线相互垂直并共面，第二转动铰链的轴线与第二伺服电机的轴线相互垂直并共面；第二伺服电机和第一伺服电机两者的轴线呈垂直状态设置。该申请案能够实现X、Y、Z向的转动和移动，通过被动性的康复训练，使患者的腿部肌体得到恢复。
目前针对腿部康复训练的机器人技术已有大量公开，但实践应用效果和便利性各有不同，对于康复机器人的技术优化是行业内不断追求的目标。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于针对现有技术中腿部训练机器人技术应用仍有进化空间的现状，拟提供一种腿部康复四自由度并联机器人，所具有的四个自由度可以模拟膝踝关节及髋关节康复训练的运动方式，应用方便且康复效果较好。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种腿部康复四自由度并联机器人，包括上下分布的静平台和动平台，静平台和动平台之间连接有第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，第一支链、第二支链和第三支链均包括主动臂和从动臂，主动臂和从动臂之间通过转动副连接，主动臂的顶端与静平台铰接，从动臂的底端与动平台铰接；第四支链的上部与静平台铰接，第四支链的下部转动配合穿过动平台，且第四支链的底部设置有脚部支架。
更进一步地，第一支链包括通过第一支链第一转动副相连的第一支链主动臂和第一支链从动臂，其中第一支链主动臂的顶端通过第一支链球副与静平台相连，第一支链从动臂的底端通过第一支链第二转动副与动平台相连。
更进一步地，第二支链包括通过第二支链第一转动副相连的第二支链主动臂和第二支链从动臂，其中第二支链主动臂的顶端通过第二支链虎克铰与静平台相连，第二支链从动臂的底端通过第二支链第二转动副与动平台相连，第三支链的结构与第二支链相同。
更进一步地，第四支链包括第四支链驱动机构、滚珠导向轴和第一连接套筒，其中第四支链驱动机构通过安装座固定于静平台上方，第四支链驱动机构的输出端通过第四支链第一虎克铰与滚珠导向轴相连，滚珠导向轴底部连接第一连接套筒；第一连接套筒的底部通过第四支链第二虎克铰与动平台连接。
更进一步地，第四支链驱动机构的输出端通过联轴器与第二连接套筒相连接，且第二连接套筒通过第一角接触球轴承安装在静平台上形成转动副，第二连接套筒的下端通过第四支链第一虎克铰与滚珠导向轴相连，滚珠导向轴下端通过螺钉与第一连接套筒上端固连，形成第二连接套筒和第一连接套筒之间的移动副。
更进一步地，第一连接套筒的下端通过螺钉与连接轴的上端固连，连接轴下端通过第四支链第二虎克铰与转轴相连，且转轴通过第二角接触球轴承安装在动平台上形成转动副；转轴的下端与脚部支架固连。
更进一步地，静平台上的第一支链球副、第二支链虎克铰和第三支链虎克铰三个运动副中心位置连线构成等腰直角三角形，且第四支链驱动机构安装位置位于该等腰直角三角形斜边上中点位置；动平台上第一支链第二转动副、第二支链第二转动副和第三支链第二转动副三个运动副中心位置连线构成等腰直角三角形，且转轴安装位置位于等腰直角三角形斜边上的中点位置。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种腿部康复四自由度并联机器人，第一支链可以驱动动平台的前后摆动，用于实现腿部膝关节的屈伸康复运动，第二支链和第三支链配合运动可驱动动平台的左右摆动，用于实现腿部髋关节的内收和外展康复运动，第四支链可以驱动脚部支架旋转运动，用于实现腿部踝关节的旋转康复运动；第一支链、第二支链、第三支链和第四支链共同配合可实现腿部整体的牵伸康复运动，从而可以实现腿部的三个转动运动康复训练和一个移动运动康复训练。
(2)本发明的一种腿部康复四自由度并联机器人，通过第一支链、第二支链、第三支链配合各运动副的特定安装位置，从而形成机器人的两个转动自由度和一个平动自由度，通过不对动平台产生约束的第四支链驱动脚部支架旋转，增加了一个转动自由度，具有运动范围可调性较大、结构精简、成本较低、占用空间小和工作平稳等特点，可大量应用于医疗膝关节康复训练场合。
附图说明
图1为本发明的一种腿部康复四自由度并联机器人的结构示意图；
图2为本发明中第一支链和第二支链的连接结构示意图；
图3为本发明中第三支链和第四支链的连接结构示意图；
图4为本发明中第四支链与静平台连接结构的局部剖视示意图；
图5为本发明中滚珠导向轴的剖视结构示意图；
图6为本发明中第四支链与动平台连接结构的局部剖视示意图；
图7为本发明中静平台上各运动副的位置布局示意图；
图8为本发明中动平台上各运动副的位置布局示意图；
图9为腿部关节基本运动形式；
图10为本发明机器人实现腿部髋关节内旋运动位置示意图；
图11为本发明机器人实现腿部髋关节外旋运动位置示意图；
图12为本发明机器人实现腿部膝关节伸张运动位置示意图；
图13为本发明机器人实现腿部膝关节屈缩运动位置示意图；
图14为本发明机器人实现腿部踝关节的旋转运动位置示意图。
示意图中的标号说明：
100、静平台；200、第一支链；300、第二支链；400、动平台；500、第三支链；600、第四支链；700、脚部支架；
201、第一支链球副；202、第一支链主动臂；203、第一支链第一转动副；204、第一支链从动臂；205、第一支链第二转动副；
301、第二支链虎克铰；302、第二支链主动臂；303、第二支链第一转动副；304、第二支链从动臂；305、第二支链第二转动副；
501、第三支链虎克铰；502、第三支链主动臂；503、第三支链第一转动副；504、第三支链从动臂；505、第三支链第二转动副；
601、第四支链驱动机构；602、安装座；603、第四支链第一虎克铰；604、滚珠导向轴；605、第一连接套筒；606、第四支链第二虎克铰；607、联轴器；608、第一角接触球轴承；609、第二连接套筒；610、连接轴；611、转轴；612、第二角接触球轴承；620、花键轴。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
如图1-图14所示，本实施例的一种腿部康复四自由度并联机器人，包括上下分布的静平台100和动平台400，静平台100和动平台400之间连接有第一支链200、第二支链300、第三支链500和第四支链600，第一支链200、第二支链300和第三支链500均包括主动臂和从动臂，主动臂和从动臂之间通过转动副连接，主动臂的顶端与静平台100铰接，从动臂的底端与动平台400铰接；第四支链600的上部与静平台100铰接，第四支链600的下部转动配合穿过动平台400，且第四支链600的底部设置有脚部支架700。
具体地，如图2所示，第一支链200包括通过第一支链第一转动副203相连的第一支链主动臂202和第一支链从动臂204，其中第一支链主动臂202的顶端通过第一支链球副201与静平台100相连，第一支链从动臂204的底端通过第一支链第二转动副205与动平台400相连。
本实施例中第二支链300包括通过第二支链第一转动副303相连的第二支链主动臂302和第二支链从动臂304，其中第二支链主动臂302的顶端通过第二支链虎克铰301与静平台100相连，第二支链从动臂304的底端通过第二支链第二转动副305与动平台400相连，第三支链500的结构与第二支链300相同，即如图3所示，第三支链500包括通过第三支链第一转动副503相连的第三支链主动臂502和第三支链从动臂504，第三支链主动臂502的顶端通过第三支链虎克铰501与静平台100相连，第三支链从动臂504的底端通过第三支链第二转动副505与动平台400相连。其中第一支链第一转动副203、第二支链第一转动副303和第三支链第一转动副503上均设置有伺服电机。
本实施例中第四支链600包括第四支链驱动机构601、滚珠导向轴604和第一连接套筒605，其中第四支链驱动机构601通过安装座602固定于静平台100上方，第四支链驱动机构601的输出端通过第四支链第一虎克铰603与滚珠导向轴604相连，滚珠导向轴604底部连接第一连接套筒605；第一连接套筒605的底部通过第四支链第二虎克铰606与动平台400连接。第四支链驱动机构601具体可采用伺服电机。
具体地，如图4所示，第四支链驱动机构601的输出端首先通过联轴器607与第二连接套筒609相连接，且第二连接套筒609通过第一角接触球轴承608安装在静平台100上形成转动副，第二连接套筒609的下端通过第四支链第一虎克铰603与滚珠导向轴604相连，滚珠导向轴604下端通过螺钉与第一连接套筒605上端固连，形成第二连接套筒609和第一连接套筒605之间的移动副。本实施例中的滚珠导向轴604采用行业内常见的滚珠导向轴结构，如图5所示，滚珠导向轴604内部的花键轴620顶端与第四支链第一虎克铰603相连，花键轴620下端延伸至第一连接套筒605内部且不接触，花键轴620与滚珠导向轴604之间具有主动旋转和被动滑动两个运动方式，滚珠导向轴604的结构及活动方式均为现有技术，在此不再赘述。
如图6所示，本实施例中第一连接套筒605的下端通过螺钉与连接轴610的上端固连，连接轴610下端通过第四支链第二虎克铰606与转轴611相连，且转轴611通过第二角接触球轴承612安装在动平台400上形成转动副；转轴611的下端与脚部支架700固连。
如图7和图8所示，本实施例中静平台100上的第一支链球副201、第二支链虎克铰301和第三支链虎克铰501三个运动副中心位置连线构成等腰直角三角形，且第四支链驱动机构601安装位置位于该等腰直角三角形斜边上中点位置；动平台400上第一支链第二转动副205、第二支链第二转动副305和第三支链第二转动副505三个运动副中心位置连线构成等腰直角三角形，且转轴611安装位置位于等腰直角三角形斜边上的中点位置。
本实施例的机器人，第一支链200可以驱动动平台400的前后摆动，用于实现腿部膝关节的屈伸康复运动，如图12和图13所示；第二支链300和第三支链500配合运动可驱动动平台400的左右摆动，用于实现腿部髋关节的内收和外展康复运动，如图10和11所示；第四支链600可以驱动脚部支架700旋转运动，用于实现腿部踝关节的旋转康复运动，如图14所示；第一支链200、第二支链300、第三支链500和第四支链600共同配合可实现腿部整体的牵伸康复运动，从而可以实现腿部的三个转动运动康复训练和一个移动运动康复训练。
本实施例通过第一支链200、第二支链300、第三支链500配合各运动副的特定安装位置，从而形成机器人的两个转动自由度和一个平动自由度，通过不对动平台400产生约束的第四支链600驱动脚部支架700旋转，增加了一个转动自由度。整体结构具有运动范围可调性较大、结构精简、成本较低、占用空间小和工作平稳等特点，可大量应用于医疗膝关节康复训练场合，且本实施例的机器人可采用伺服系统的力位混合控制模式实现机构运动，根据需求个性化设置运动幅度与力度，并且可根据关节的恢复程度与腿部长度定制化机器人运动路径与范围，从而达到更好的康复效果。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种腿部康复四自由度并联机器人，其特征在于：包括上下分布的静平台(100)和动平台(400)，静平台(100)和动平台(400)之间连接有第一支链(200)、第二支链(300)、第三支链(500)和第四支链(600)，第一支链(200)、第二支链(300)和第三支链(500)均包括主动臂和从动臂，主动臂和从动臂之间通过转动副连接，主动臂的顶端与静平台(100)铰接，从动臂的底端与动平台(400)铰接；第四支链(600)的上部与静平台(100)铰接，第四支链(600)的下部转动配合穿过动平台(400)，且第四支链(600)的底部设置有脚部支架(700)；第四支链(600)包括第四支链驱动机构(601)、滚珠导向轴(604)和第一连接套筒(605)，其中第四支链驱动机构(601)通过安装座(602)固定于静平台(100)上方，第四支链驱动机构(601)的输出端通过第四支链第一虎克铰(603)与滚珠导向轴(604)相连，滚珠导向轴(604)底部连接第一连接套筒(605)；第一连接套筒(605)的底部通过第四支链第二虎克铰(606)与动平台(400)连接。
2.根据权利要求1所述的一种腿部康复四自由度并联机器人，其特征在于：第一支链(200)包括通过第一支链第一转动副(203)相连的第一支链主动臂(202)和第一支链从动臂(204)，其中第一支链主动臂(202)的顶端通过第一支链球副(201)与静平台(100)相连，第一支链从动臂(204)的底端通过第一支链第二转动副(205)与动平台(400)相连。
3.根据权利要求1所述的一种腿部康复四自由度并联机器人，其特征在于：第二支链(300)包括通过第二支链第一转动副(303)相连的第二支链主动臂(302)和第二支链从动臂(304)，其中第二支链主动臂(302)的顶端通过第二支链虎克铰(301)与静平台(100)相连，第二支链从动臂(304)的底端通过第二支链第二转动副(305)与动平台(400)相连，第三支链(500)的结构与第二支链(300)相同。
4.根据权利要求1所述的一种腿部康复四自由度并联机器人，其特征在于：第四支链驱动机构(601)的输出端通过联轴器(607)与第二连接套筒(609)相连接，且第二连接套筒(609)通过第一角接触球轴承(608)安装在静平台(100)上形成转动副，第二连接套筒(609)的下端通过第四支链第一虎克铰(603)与滚珠导向轴(604)相连，滚珠导向轴(604)下端通过螺钉与第一连接套筒(605)上端固连，形成第二连接套筒(609)和第一连接套筒(605)之间的移动副。
5.根据权利要求1所述的一种腿部康复四自由度并联机器人，其特征在于：第一连接套筒(605)的下端通过螺钉与连接轴(610)的上端固连，连接轴(610)下端通过第四支链第二虎克铰(606)与转轴(611)相连，且转轴(611)通过第二角接触球轴承(612)安装在动平台(400)上形成转动副；转轴(611)的下端与脚部支架(700)固连。
6.根据权利要求5所述的一种腿部康复四自由度并联机器人，其特征在于：静平台(100)上的第一支链球副(201)、第二支链虎克铰(301)和第三支链虎克铰(501)三个运动副中心位置连线构成等腰直角三角形，且第四支链驱动机构(601)安装位置位于该等腰直角三角形斜边上中点位置；动平台(400)上第一支链第二转动副(205)、第二支链第二转动副(305)和第三支链第二转动副(505)三个运动副中心位置连线构成等腰直角三角形，且转轴(611)安装位置位于等腰直角三角形斜边上的中点位置。
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