CN112618264A - 一种面向腕关节康复的混联球面机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向腕关节康复的混联球面机构，包括并联机构、远端中心旋转机构和托臂，所述并联机构包括静平台、支链连杆和动平台，所述托臂设置于动平台上，所述远端中心旋转机构串联于动平台上且其旋转中心通过腕心，所述支链连杆周向对称布置并联接静平台和动平台。本发明通过2旋转自由度并联机构结合远端中心旋转机构，可实现3自由度的球面运动，可使得机构操作灵巧性提升，运动惯量降低，体积减少。

Description

一种面向腕关节康复的混联球面机构
技术领域
本发明涉及康复机器人领域，特别涉及一种面向腕关节康复的混联球面机构。
背景技术
针对诸如脑卒中、帕金森等神经退行性疾病，采用机器人辅助的上肢运动康复治疗方法具有不劣于康复治疗医师的康复效果，可替代治疗医师大部分繁重的重复性工作。人体腕关节在人体上肢中复杂度仅次于肩关节，腕关节的重复训练可重塑神经退行型疾病患者受损神经，对其康复具有重要的意义。从生理特征上分析，人体腕关节可等效为一个球面机构，因此腕关节康复机构必须从运动学上兼容人体的腕关节，即至少需3自由度球面运动。
现有针对腕关节康复训练用的球面机构大多采用串联式三自由度共心机构，该形式机构优点是具有较大的工作空间，但在工作空间内存在奇异点，工作空间内各点处球面机构的灵巧度差异较大；该机构的串联拓扑特性使得整个机构体积和重量较大，机构的运动惯量较大，使得康复训练时的柔顺控制较难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种面向腕关节康复的混联球面机构，通过近似2自由度球面机构和远端旋转中心机构混联的拓扑构型，实现了3自由度的球面运动，使得机构整体的体积重量减小，运动惯量大幅降低。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种面向腕关节康复的混联球面机构，包括并联机构、远端中心旋转机构和托臂，所述并联机构包括静平台、支链连杆和动平台，所述托臂设置于动平台上，所述远端中心旋转机构设置于远离托臂一侧的动平台上，所述支链连杆周向对称布置在静平台和动平台之间。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过2自由度球面并联机构串联远端中心旋转机构，可实现3自由度的球面运动，使得整个机构灵巧度提升，运动惯量减小，体积和重量减少。
优选的，所述静平台上设有多个支链第一铰接副，所述动平台下设有多个支链第四铰接副，所述支链连杆在静平台一侧设有支链第二铰接副，所述支链连杆在动平台一侧设有支链第三铰接副，所述第一铰接副和第二铰接副连接，所述第三铰接副和第四铰接副连接。
优选的，所述第一铰接副为驱动副，驱动并联机构动平台实现空间近似2自由度的球面运动。
优选的，所述驱动副可采用电机驱动、液压驱动或气动驱动。
优选的，所述远端中心旋转机构包括机架、连杆和握持手柄，所述机架一端固定在动平台上，另一端通过连杆与握持手柄连接。这样，握持手柄能够适应使用者不同的手部几何尺寸。
优选的，所述连杆包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和输出连杆，所述第一连杆和第三连杆的一端均与机架一侧连接，所述第二连杆与第一连杆、第三连杆和输出连杆连接，所述第四连杆与第三连杆的另一端和输出连杆的一端连接。
优选的，所述握持手柄设置于输出连杆远离第四连杆一侧上。
附图说明
图1本发明面向腕关节康复的混联球面机构整体示意图；
图2本发明3-RRRR拓扑形式的2自由度并联机构示意图；
图3本发明远端中心旋转机构结构示意图。
图中标号说明：1、并联机构，2、远端中心旋转机构，3、托臂，4、静平台，5、第一铰接副，6、第二铰接副，7、支链连杆，8、第三铰接副，9、第四铰接副，10、动平台，11、第一连杆，12、第二连杆，13、第三连杆，14、第四连杆，15、输出连杆，16、握持手柄，17、机架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。
如图1-3所示，本实施例涉及一种面向腕关节康复的混联球面机构，包括并联机构1、远端中心旋转机构2和托臂3，并联机构1包括静平台4、支链连杆和动平台10，托臂3设置于动平台10上，远端中心旋转机构2设置于远离托臂3一侧的动平台10上，支链连杆7周向对称布置在静平台4和动平台10之间。
其中，静平台4上设有多个支链第一铰接副5，动平台10下设有多个支链第四铰接副9，支链连杆7在静平台4一侧设有支链第二铰接副6，支链连杆在动平台10一侧设有支链第三铰接副8，第一铰接副5和第二铰接副6连接，第三铰接副8和第四铰接副9连接。通过铰接副的连接，实现是动平台10的运动。
在本实施例中，第一铰接副5为驱动副。其中，驱动机构为电机驱动、液压驱动或气动驱动。并联机构1实现2自由度的近似球面旋转运动，该并联机构1工作空间较大，2个旋转自由度运动范围均接近[-180°,180°]。
本实施例通过在铰接副处由驱动机构驱动，此时该并联机构的2个驱动轴线为非正交形式；或通过线传动形式布置成驱动轴线呈空间正交布局进行驱动。
其中，远端中心旋转机构2包括机架17、连杆和握持手柄16，机架17一端固定在动平台10上，另一端通过连杆与握持手柄16连接。
在本实施例中，连杆包括第一连杆11、第二连杆12、第三连杆13、第四连杆14和输出连杆15，第一连杆11和第三连杆13的一端均与机架17一侧连接，第二连杆12与第一连杆11、第三连杆13和输出连杆15连接，第四连杆14与第三连杆13的另一端和输出连杆15的一端连接。握持手柄16设置于输出连杆15远离第四连杆14一侧上。通过这样设置，握持手柄16能够适应使用者不同的手部几何尺寸。
在本实施例中，2自由度并联机构输出动平台上串联远端中心机构，左右腕部球面运动的另一个旋转自由度，该旋转自由度垂直于并联机构2旋转自由度构成的平面；由于远端中心机构的末端握持点在适应不用使用者的手部尺寸，同时可以保证回转中心不变。
基于3-RRRR近似2自由度球面机构和远端旋转中心机构的形式，实现了3自由度的球面运动，由于采用了混联机构形式，使得机构整体的体积重量减小，运动惯量大幅降低，工作空间覆盖人体腕部的运动空间，同时腕部握持结构可以适应使用者不同的手部几何尺寸。
本发明的有益效果为：通过支链连杆的倾斜环绕铰接设置结合远端中心旋转机构，使整个并联机构以近似2自由度球面机构来实现3自由度的球面运动，使得整个机构体积减少。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种面向腕关节康复的混联球面机构，其特征在于：包括并联机构(1)、远端中心旋转机构(2)和托臂(3)，所述并联机构(1)包括静平台(4)、支链连杆和动平台(10)，所述托臂(3)设置于动平台(10)上，所述远端中心旋转机构(2)设置于远离托臂(3)一侧的动平台(10)上，所述支链连杆(7)周向对称布置在静平台(4)和动平台(10)之间。
2.根据权利要求1所述的一种面向腕关节康复的混联球面机构，其特征在于：所述静平台(4)上设有多个支链第一铰接副(5)，所述动平台(10)下设有多个支链第四铰接副(9)，所述支链连杆(7)在静平台(4)一侧设有支链第二铰接副(6)，所述支链连杆在动平台(10)一侧设有支链第三铰接副(8)，所述第一铰接副(5)和第二铰接副(6)连接，所述第三铰接副(8)和第四铰接副(9)连接。
3.根据权利要求2所述的一种面向腕关节康复的混联球面机构，其特征在于：所述第一铰接副(5)为驱动副。
4.根据权利要求3所述的一种面向腕关节康复的混联球面机构，其特征在于：所述驱动副可采用电机驱动、液压驱动或气动驱动。
5.根据权利要求1所述的一种面向腕关节康复的混联球面机构，其特征在于：所述远端中心旋转机构(2)包括机架(17)、连杆和握持手柄(16)，所述机架(17)一端固定在动平台(10)上，另一端通过连杆与握持手柄(16)连接。
6.根据权利要求5所述的一种面向腕关节康复的混联球面机构，其特征在于：所述连杆包括第一连杆(11)、第二连杆(12)、第三连杆(13)、第四连杆(14)和输出连杆(15)，所述第一连杆(11)和第三连杆(13)的一端均与机架(17)一侧连接，所述第二连杆(12)与第一连杆(11)、第三连杆(13)和输出连杆(15)连接，所述第四连杆(14)与第三连杆(13)的另一端和输出连杆(15)的一端连接。
7.根据权利要求6所述的一种面向腕关节康复的混联球面机构，其特征在于：所述握持手柄(16)设置于输出连杆(15)远离第四连杆(14)一侧上。
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