CN112773667A - 一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构 - Google Patents

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张彦斌
魏雪敏
许泽华
王继文
芦风林
王科峰
王科明
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Abstract

本发明公开了一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构，包括动平台、定平台、两条主动支链和一条恰约束支链。两条主动支链具有相同的运动链结构形式，分别由一个平行四边形结构、一个转动副和一个万向铰组成。其中平行四边形结构包含两个轴线平行的转动副和两个万向铰。恰约束支链由两个轴线垂直的转动副串联而成。第一主动支链第三万向铰一端与恰约束支链相连，第二主动支链第六万向铰一端与动平台相连。本发明并联机器人机构的速度雅可比矩阵为对角阵，实现了机构输入运动与输出运动之间的一对一控制关系。

Description

一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构
技术领域
本发明涉及康复机器人空间机构领域，具体的说是一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构。
背景技术
在骨科临床中踝关节扭伤是较为常见的运动伤，踝关节人体运动的重要枢纽和承重关节。出现此状况，若不及时接受有效治疗及康复训练，容易造成关节不稳并引起踝关节的反复损伤，严重时患者将永久丧失正常行走的能力，对于踝关节的康复训练治疗至关重要。踝关节康复机器人的研究开始于上世纪九十年代，在偏瘫康复领域中，传统理疗师进行康复训练将被踝关节康复机器人所取代，对于踝关节康复机器人机构的研究已经是一种趋势。
由于串联机构的传动链长、杆件较多以及其控制不方便等因素，踝关节的康复训练多采用并联机构。如申请号为CN201610028816.4的中国专利公开了一种主动支链倾斜布置的踝关节康复并联机构；申请号为CN201710962288.4的中国专利公开了一种三自由度并联机构踝关节康复装置，但对于一般并联机构的研究仍存在耦合性强，运动学及动力学问题求解复杂等问题。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提出了一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构，该并联机器人机构具有无耦合的运动学特性，控制设计也非常简单；同时，恰约束支链不仅可增强并联机构的整体稳定性和承载能力，还能提高并联机构的精度和不可控误差。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构，包括定平台、动平台、一条仅提供约束的恰约束支链以及两条提供驱动力的主动支链；
恰约束支链包括两个轴线相互垂直的第一转动副和第二转动副以及用于连接第一转动副和第二转动副的约束连杆，所述第一转动副与定平台相连接，第二转动副与动平台相连；
两条主动支链包括用于控制动平台绕第一转动副转动的第一主动支链以及用于控制动平台绕第二转动副转动的第二主动支链；
第一主动支链包括自定平台起依次串联的第一平行四边形结构、第三连杆、第五转动副、第四连杆以及第三万向铰，第四连杆分别通过第五转动副和第三万向铰与第三连杆和约束连杆相连接，第三万向铰第二轴线与第一转动副的轴线相平行，第五转动副的转动轴线与第一转动副的轴线相垂直；
第二主动支链包括自定平台起依次串联的第二平行四边形结构、第七连杆、第八转动副、第八连杆以及第六万向铰，第八连杆分别通过第八转动副和第六万向铰与第七连杆和动平台相连接，第八转动副的转动轴线平行于第六万向铰第一轴线且垂直于第五转动副的转动轴线；
第一平行四边形结构和第二平行四边形结构均包括两个轴线平行的转动副和两个万向铰，各个平行四边形结构中的任一转动副均可选取为主动副。
进一步地，所述的第一平行四边形结构由第三转动副、第四转动副、第一万向铰、第二万向铰、第一连杆和第二连杆构成，第一连杆分别通过第四转动副和第一万向铰与定平台和第三连杆相连接，第二连杆分别通过第三转动副和第二万向铰与定平台和第三连杆相连接，第三转动副和第四转动副的转动轴线均平行于第二万向铰第一轴线和第三万向铰第二轴线。
进一步地，所述的第二平行四边形结构由第六转动副、第七转动副、第四万向铰、第五万向铰、第五连杆和第六连杆构成，第五连杆分别通过第七转动副和第四万向铰与定平台和第七连杆相连接，第六连杆分别通过第六转动副和第五万向铰与定平台和第七连杆相连接，第六转动副和第七转动副的转动轴线均垂直于第四万向铰第二轴线和第三万向铰第二轴线。
进一步地，所述动平台的截面呈矩形。
有益效果：
1、本发明中的并联机器人机构包括定平台、动平台、一条恰约束支链和两条主动支链（第一主动支链和第二主动支链），恰约束支链包括两个轴线相互垂直的第一转动副和第二转动副，两条主动支链均包括自定平台起依次串联的平行四边形结构、转动副和万向铰，各个平行四边形结构均包括两个轴线平行的转动副和两个万向铰，第一主动支链能够控制动平台绕第一转动副转动，第二主动支链能够控制动平台绕第二转动副转动，该并联机器人机构具有无耦合的运动学特性，控制设计也非常简单；同时，恰约束支链不仅可增强并联机构的整体稳定性和承载能力，还能提高并联机构的精度和不可控误差。
2、本发明中的并联机构的结构简单、灵活性高，控制简单，实用性强，有很好的推广利用价值。
下面结合实施例附图和具体实施例对本发明做进一步具体详细的说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中并联机器人机构的结构示意图。
图示标记：P1、定平台，P2、动平台；
L1、第一主动支链，10、第三转动副，11、第四转动副，12、第一连杆，13、第二连杆，14、第一万向铰，141、第一万向铰第一轴线，142、第一万向铰第二轴线，15、第二万向铰，151、第二万向铰第一轴线，152、第二万向铰第二轴线，16、第三连杆，17、第五转动副，18、第四连杆，19、第三万向铰，191、第三万向铰第一轴线，192、第三万向铰第二轴线；
L2、第二主动支链，20、第六转动副，21、第七转动副，22、第五连杆，23、第六连杆，24、第四万向铰，241、第四万向铰第一轴线，242、第四万向铰第二轴线，25、第五万向铰，251、第五万向铰第一轴线，252、第五万向铰第二轴线，26、第七连杆，27、第八转动副，28、第八连杆，29、第六万向铰，291、第六万向铰第一轴线，292、第六万向铰第二轴线；
L3、恰约束支链，30、第一转动副，31、约束连杆，32、第二转动副。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明中所称的“第一”、“第二”并不是对相应技术特征在数量上的限定，而是为区分相关技术特征而作出的命名。
一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构，请参考图1，该并联机器人机构包括：
定平台P1；
动平台P2，所述动平台P2设于定平台P1上方且其截面呈矩形。
一条恰约束支链L3：所述恰约束支链L3连接于定平台P1和动平台P2之间，恰约束支链L3包括两个轴线相互垂直的第一转动副30和第二转动副32以及用于连接第一转动副30和第二转动副32的约束连杆31，所述第一转动副30与定平台P1相连接，第二转动副32与动平台P2相连；
两条主动支链，两条主动支链均依次包括一个平行四边形结构、一个转动副和一个万向铰，两条主动支链中的第一主动支链L1的两端分别与定平台P1和约束连杆31相铰接，第二主动支链L2的两端分别与定平台P1和动平台P2相铰接；第一主动支链L1能够控制动平台P2绕第一转动副30的轴线转动，第二主动支链L2能够控制动平台P2绕第二转动副32的轴线转动。
详细地，第一主动支链L1包括自定平台P1起依次串联的第一平行四边形结构、第三连杆16、第五转动副17、第四连杆18以及第三万向铰19，第四连杆18分别通过第五转动副17和第三万向铰19与第三连杆16和约束连杆31相连接，第三万向铰第二轴线192与第一转动副30的轴线相平行，第五转动副17的转动轴线与第一转动副30的轴线相垂直。
所述的第一平行四边形结构由第三转动副10、第四转动副11、第一万向铰14、第二万向铰15、第一连杆12和第二连杆13构成，第一连杆12分别通过第四转动副11和第一万向铰14与定平台P1和第三连杆16相连接，第二连杆13分别通过第三转动副10和第二万向铰15与定平台P1和第三连杆16相连接，第三转动副10和第四转动副11的转动轴线均平行于第二万向铰第一轴线151和第三万向铰第二轴线192。
第二主动支链l2包括自定平台P1起依次串联的第二平行四边形结构、第七连杆26、第八转动副27、第八连杆28以及第六万向铰29，第八连杆28分别通过第八转动副27和第六万向铰29与第七连杆26和动平台P2相连接，第八转动副27的转动轴线平行于第六万向铰第一轴线291且垂直于第五转动副17的转动轴线。
所述的第二平行四边形结构由第六转动副20、第七转动副21、第四万向铰24、第五万向铰25、第五连杆22和第六连杆23构成，第五连杆22分别通过第七转动副21和第四万向铰24与定平台P1和第七连杆26相连接，第六连杆23分别通过第六转动副20和第五万向铰25与定平台P1和第七连杆26相连接，第六转动副20和第七转动副21的转动轴线均垂直于第四万向铰第二轴线242和第三万向铰第二轴线192。
第一平行四边形结构的第三转动副10或第四转动副11和第二平行四边形结构的第六转动副20或第七转动副21均可选取为主动副。
本发明中的并联机器人机构在使用时，通过电机驱动第一主动支链L1中主动副（第三转动副10或第四转动副11），进而控制动平台P2绕恰约束支链L3中的第一转动副30轴线转动，通过电机驱动第二主动支链中的主动副（第六转动副20或第七转动副21），进而控制动平台P2绕恰约束支链L3中的第二转动副32轴线转动，患者脚部放置于动平台P2的正面上，从而实现对踝关节康复训练。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构，其特征在于：包括定平台(P1)、动平台(P2)、一条仅提供约束的恰约束支链(L3)以及两条提供驱动力的主动支链；
恰约束支链(L3)包括两个轴线相互垂直的第一转动副(30)和第二转动副(32)以及用于连接第一转动副(30)和第二转动副(32)的约束连杆(31)，所述第一转动副(30)与定平台(P1)相连接，第二转动副(32)与动平台(P2)相连；
两条主动支链包括用于控制动平台(P2)绕第一转动副(30)转动的第一主动支链(L1)以及用于控制动平台(P2)绕第二转动副(32)转动的第二主动支链(L2)；
第一主动支链(L1)包括自定平台(P1)起依次串联的第一平行四边形结构、第三连杆(16)、第五转动副(17)、第四连杆(18)以及第三万向铰(19)，第四连杆(18)分别通过第五转动副(17)和第三万向铰(19)与第三连杆(16)和约束连杆(31)相连接，第三万向铰第二轴线(192)与第一转动副(30)的轴线相平行，第五转动副(17)的转动轴线与第一转动副(30)的轴线相垂直；
第二主动支链(l2)包括自定平台(P1)起依次串联的第二平行四边形结构、第七连杆(26)、第八转动副(27)、第八连杆(28)以及第六万向铰(29)，第八连杆(28)分别通过第八转动副(27)和第六万向铰(29)与第七连杆(26)和动平台(P2)相连接，第八转动副(27)的转动轴线平行于第六万向铰第一轴线(291)且垂直于第五转动副(17)的转动轴线；
第一平行四边形结构和第二平行四边形结构均包括两个轴线平行的转动副和两个万向铰，各个平行四边形结构中的任一转动副均可选取为主动副。
2.根据权利要求1所述的一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构，其特征在于：所述的第一平行四边形结构由第三转动副(10)、第四转动副(11)、第一万向铰(14)、第二万向铰(15)、第一连杆(12)和第二连杆(13)构成，第一连杆(12)分别通过第四转动副(11)和第一万向铰(14)与定平台(P1)和第三连杆(16)相连接，第二连杆(13)分别通过第三转动副(10)和第二万向铰(15)与定平台(P1)和第三连杆(16)相连接，第三转动副(10)和第四转动副(11)的转动轴线均平行于第二万向铰第一轴线(151)和第三万向铰第二轴线(192)。
3.根据权利要求2所述的一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构，其特征在于：所述的第二平行四边形结构由第六转动副(20)、第七转动副(21)、第四万向铰(24)、第五万向铰(25)、第五连杆(22)和第六连杆(23)构成，第五连杆(22)分别通过第七转动副(21)和第四万向铰(24)与定平台(P1)和第七连杆(26)相连接，第六连杆(23)分别通过第六转动副(20)和第五万向铰(25)与定平台(P1)和第七连杆(26)相连接，第六转动副(20)和第七转动副(21)的转动轴线均垂直于第四万向铰第二轴线(242)和第三万向铰第二轴线(192)。
4.根据权利要求1所述的一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构，其特征在于：所述动平台(P2)的截面呈矩形。
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