CN114376862A - 一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构，其包括放置平台、旋转平台、第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支与第四变胞驱动分支，其中第一驱动分支和第二驱动分支结构相同，包括转动副、伺服驱动单元与虎克铰，第三驱动分支包括虎克铰、伺服驱动单元与蜂窝球铰，第四变胞驱动分支包括移动副和虎克铰，可通过锁死或驱动移动副改变构件数目，并实现不同的运动输出，该构型为具有三个转动自由度的(2RPU‑PU‑UPS)+R型过约束变胞混联机构，可适用踝关节康复训练。采用变胞机构使放置平台的运动输出可变，转动轴线选择符合人因工程学原理，康复机构具有灵活性好，动静刚度高，系统动态响应好，结构紧凑等优点，可满足踝关节运动状态需求。

Description

一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构
技术领域
本发明属于康复医疗设备技术领域，特别涉及一种能够满足踝关节康复治疗的过约束踝关节康复变胞混联机构。
背景技术
踝关节是人体负重最大，由一骨的凸面与另一骨的凹面形成的滑车关节，其形状前宽后窄，人体主要依靠踝关节的内外翻转、背屈、跖屈以及侧方运动来完成奔跑、行走、跳跃等动作，因踝关节特殊的结构在日常生活中极易发生扭伤，其中又以内翻损伤最为常见。康复医学领域认为：进行器械辅助训练有助于脚踝关节患处的机能恢复，有助于病人早日回归正常生活。
从人因工程学角度出发，人体脚踝关节可以视为一个具有三个转动自由度的球状关节，因此进行康复辅助训练器械应具备球面运动能力。常见的踝关节康复机构虽可进行持久训练但只能进行简单的循环往复运动，只涵盖踝关节的一到两个转动自由度，部分三自由度康复训练机的转动轴线位于踝关节转动轴线的下方，无法做到接近踝关节运动状态的康复需求；其亦可采用人力辅助的方式进行治疗，但受限于康复医师经验与体力的限制难以维持长时间作业。
发明内容
本发明针对上述不足，根据功能自由度需求和任务性能需求，提供一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构，包括放置平台、旋转平台、第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支与第四变胞驱动分支，构成2RPU-PU-UPS型并联机构与串联机构R相融合的混联机构，其具有变胞特性，能够提供一种踝关节康复治疗装置。
本发明采用如下的技术方案实现：
一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构，其包括放置平台、旋转平台、第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支与第四变胞驱动分支，所述第一驱动分支与第二驱动分支底座中心分别位于旋转平台上的等腰三角形两底角顶点，第三驱动分支底座中心位于旋转平台上的等腰三角形顶点，第四变胞驱动分支底座中心位于旋转平台上的等腰三角形底边中点。
所述第一驱动分支顶部与放置平台左侧相连，第二驱动分支顶部与放置平台右侧相连，第四变胞驱动分支与放置平台相连处与第一、第二驱动分支与放置平台相连处同轴线，第三驱动分支顶部与放置平台底部相连。
所述第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支、第四变胞驱动分支与旋转平台顶部的上平台以及放置平台构成具有三个转动自由度的2RPU-PU-UPS型过约束并联机构。
所述放置平台主体接近一个无顶长方体盒，盒内底层具有橡胶防滑垫，两侧靠近后上方处有圆柱形凸台，凸台上有安装圆柱滚子轴承的凹槽用于与第四变胞驱动分支相连，盒外底前侧有矩形凸台与第三驱动分支相连。
所述第一驱动分支为RPU型支链，主要包括转动副R、伺服驱动单元P、虎克铰U，第一驱动分支位于放置平台左侧，其转动副底座位于旋转平台左侧，转动副轴线与放置平台的长边平行，伺服驱动单元P的移动方向与转动副R轴线垂直，伺服电机作为驱动源，虎克铰U第一、第二转轴形成T形，第二转轴起点为第一转轴中点，虎克铰第一、第二转动副轴线相互垂直，第一转轴虎克铰U第一转动副轴线与转动副R轴线平行，第二转动副轴线与放置平台侧面圆柱形凸台轴线重合；所述第一驱动分支由底座、转动副导轨、伺服电机与虎克铰导杆组成。
所述第二驱动分支为与第一驱动分支结构相同的RPU型支链，第二驱动分支位于放置平台右侧，其转动副底座位于旋转平台右侧。
所述第三驱动分支为UPS型支链，主要包括虎克铰U、伺服驱动单元P、球铰S，第三驱动分支虎克铰U底座位于旋转平台前侧，球铰座位于放置平台前侧下方，所述虎克铰U第一、第二转动副轴线相互垂直，第一转动副轴线与第一驱动分支转动副R轴线平行，伺服驱动单元P移动方向与虎克铰转动副轴线垂直；所述第三驱动分支由虎克铰底座、虎克铰导轨、伺服电机、球铰导杆与球铰座组成。
所述第四变胞驱动分支具有变胞特性，通过驱动和锁死移动副改变构件的数目，在PU型支链与固定虎克铰U之间转换，使并联机构在2RPU-PU-UPS型与2RPU-U-UPS型之间转变。
所述第四变胞驱动分支主要包括移动副P与虎克铰U，主要结构组成为固定导轨、步进电机、轴承座导杆、弓形转动构件，固定导轨底部中点位于第一、第二驱动分支转动副底座中点连线的中点上，移动副P运动方向垂直于第一、第二驱动分支转动副底座中点连线。轴承座导杆可视为三部分，第一部分直导杆安装在固定导轨上，第二部分为四分之一圆形弯杆终点位于放置平台后侧，第三部分为直杆与顶部轴承座，顶部轴承座的轴承轴线与弓形转动构件中部转轴轴线共线，为虎克铰U第一转动副轴线，该轴线与第一、第二驱动分支转动副R轴线平行，弓形转动构件两端为圆柱形构件，内侧为圆柱凸轴与放置平台圆形凹处的轴承配合，外侧为圆柱形凹槽，内安装有圆柱滚子轴承与第一、第二驱动分支虎克铰的第二转轴配合，三者轴线共线。
所述旋转平台为串联机构，主要包括定平台、伺服驱动电机、大齿轮轴、控制盒与上平台，上平台下方为大齿轮轴，与伺服驱动电机末端小齿轮相互啮合，伺服驱动电机位于定平台上，控制盒接收命令后控制各电机工作，调整变胞混联机构运动状态，完成踝关节康复训练任务。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：(1)康复机构具有变胞机构，可以通过锁死或驱动第四变胞驱动支链的移动副实现放置平台的不同运动输出；(2)康复机构各转角合适，设备运动灵活性高，调姿能力强，便于患者脚部进行三转动自由度的康复训练；(3)放置平台水平轴线接近踝关节轴线，符合人因工程学设计，有助于患者更好的完成踝关节康复训练；(4)机构刚度高，康复机构采用串并混联设计，具有较好的动静刚度；(5)伺服电机与步进电机配合使用，康复机构动态系统响应速度快。
附图说明
图1是本发明的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构的整体结构示意图；
图2是本发明的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构放置平台的结构示意图；
图3是本发明的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构第一驱动分支的结构示意图；
图4是本发明的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构第三驱动分支的结构示意图；
图5是本发明的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构第四变胞驱动分支的结构示意图；
图6是本发明的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构旋转平台的结构示意图；
图7是本发明的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构放置平台两侧同轴转动副结构简图。
其中：
图1中：1.放置平台；2.旋转平台；3.第一驱动分支；4.第二驱动分支；5.第三驱动分支；6.第四变胞驱动分支；
图2中：101.放置平台主体；102.防滑橡胶垫；103.圆柱滚子轴承；
图3中：201.底座；202.转动副导轨；203.伺服电机；204.虎克铰导杆；205.T型轴虎克铰；
图4中：301.虎克铰底座；302.虎克铰导轨；303.伺服电机；304.球铰导杆；305.球铰座；
图5中：401.固定导轨；402.步进电机；403.轴承座导杆；404.弓形转动构件；
图6中：501.定平台；502.伺服驱动电机；503.大齿轮轴；504.控制盒；505.上平台。
具体实施方式
为进一步了解本发明提供的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构，下面结合附图和详细实施例对本发明进行具体阐述，本发明的内容不局限于实施例。
在本发明的描述中，需要说明，术语“上侧”、“下侧”、“上方”、“下方”、“向内”等指示方位或位置关系为基于附图所示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解成指示或暗示重要性。
如图1，一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构，其包括放置平台1、旋转平台2、第一驱动分支3、第二驱动分支4、第三驱动分支5与第四变胞驱动分支6，所述第一驱动分支3与第二驱动分支4底座中心分别位于旋转平台2上的等腰三角形两底角顶点，第三驱动分支5底座中心位于旋转平台2上的等腰三角形顶点，第四变胞驱动分支6底座中心位于旋转平台2上的等腰三角形底边中点。
第一驱动分支3顶部与放置平台1左侧相连，第二驱动分支4顶部与放置平台1右侧相连，第四变胞驱动分支6与放置平台1相连处与第一、第二驱动分支与放置平台1相连处同轴线，第三驱动分支5顶部与放置平台1底部相连。
第一驱动分支3、第二驱动分支4、第三驱动分支5、第四变胞驱动分支6与旋转平台2顶部的上平台以及放置平台1构成具有三个转动自由度的2RPU-PU-UPS型过约束并联机构。
如图2，所述放置平台主体101接近一个无顶长方体盒，盒内底层具有橡胶防滑垫102，两侧靠近后上方处有圆柱形凸台，凸台上有安装圆柱滚子轴承103的凹槽用于与第四变胞驱动分支6相连，盒外底前侧有矩形凸台与第三驱动分支5相连。
如图3，所述第一驱动分支3由底座201、转动副导轨202、伺服电机203、虎克铰导杆204与T型轴虎克铰205组成；第一驱动分支3为RPU型支链，主要包括转动副R、伺服驱动单元P、虎克铰U，第一驱动分支3位于放置平台左侧，其转动副底座位于旋转平台左侧，转动副轴线与放置平台的长边平行，伺服驱动单元P的移动方向与转动副R轴线垂直，利用伺服电机203驱动，虎克铰U第一、第二转轴形成T形，第二转轴起点为第一转轴中点，虎克铰U第一、第二转动副轴线相互垂直，第一转轴虎克铰U第一转动副轴线与转动副R轴线平行，第二转动副轴线与放置平台侧面圆柱形凸台轴线重合。
所述第二驱动分支4为与第一驱动分支3结构相同的RPU型支链，第二驱动分支4位于放置平台右侧，其转动副底座位于旋转平台右侧。
如图4，所述第三驱动分支5由虎克铰底座301、虎克铰导轨302、伺服电机303、球铰导杆304与球铰座305组成。第三驱动分支为UPS型支链，主要包括虎克铰U、伺服驱动单元P、球铰S，第三驱动分支虎克铰U底座位于旋转平台前侧，球铰座305位于放置平台前侧下方，所述虎克铰U第一、第二转动副轴线相互垂直，第一转动副轴线与第一驱动分支转动副R轴线平行，伺服驱动单元P移动方向与虎克铰转动副轴线垂直。
如图5，所述第四变胞驱动分支主要包括移动副P与虎克铰U，主要结构组成为固定导轨401、步进电机402、轴承座导杆403、弓形转动构件404，固定导轨401底部中点位于第一、第二驱动分支转动副底座中点连线的中点上，移动副P运动方向垂直于第一、第二驱动分支转动副底座中点连线。轴承座导杆403可视为三部分，第一部分直导杆安装在固定导轨上，第二部分为四分之一圆形弯杆终点位于放置平台后侧，第三部分为直杆与顶部轴承座，顶部轴承座的轴承轴线与弓形转动构件404中部转轴轴线共线，为虎克铰U第一转动副轴线，该轴线与第一、第二驱动分支转动副R轴线平行，弓形转动构件404两端为圆柱形构件，内侧为圆柱凸轴与放置平台圆形凹处的轴承配合，外侧为圆柱形凹槽，内安装有圆柱滚子轴承与第一、第二驱动分支虎克铰的第二转轴配合，三者轴线共线，过约束变胞混联踝关节康复机构旋转平台的放置平台两侧同轴转动副结构如图7所示。
所述第四变胞驱动分支6具有变胞特性，通过驱动或锁死移动副改变可动构件的数目，在PU型支链与固定虎克铰U之间转换，使并联机构在2RPU-PU-UPS型与2RPU-U-UPS型之间转换。
如图6，所述旋转平台2为串联机构，主要包括定平台501、伺服驱动电机502、大齿轮轴503、控制盒504与上平台505，上平台505下方为大齿轮轴503，与伺服驱动电机502末端小齿轮相互啮合，伺服驱动电机502位于定平台501上，控制盒504接收命令后控制各电机工作，调整变胞混联机构运动状态，完成踝关节康复训练任务。
实施例：
患者将脚放置于本发明的放置平台1上后，启动康复机构，位于旋转平台2内的控制盒504接收到命令后，控制位于第一驱动分支3、第二驱动分支4、第三驱动分支5处的伺服电机，控制位于旋转平台2内的伺服驱动电机以及位于第四变胞驱动分支处的步进电机402，使康复机构开始按预定轨迹开始运转，步进电机402通过锁死轴承座导杆403，调节变胞机构状态，使由四条驱动分支与放置平台、旋转平台顶部组成的并联机构可以在2RPU-PU+UPS型与2RPU-U+UPS型之间转变。康复机构可完成三个转动自由度循环往复的踝关节康复运动，在达到规定训练时间或操作者想结束训练时，发出信号到控制盒504，本发明的三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构复位并停止工作。
本发明专利所述的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构实施方式不局限于以上实施例所描述的实施例形式，根据本发明公开的内容，所属技术领域的技术人员还可以采取其他的具体方式进行实施，因此，实施例不能理解为本发明仅可以实施的具体实施方式。

Claims (6)

1.一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构，其包括放置平台、旋转平台、第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支与第四变胞驱动分支，其特征在于：所述第一驱动分支与第二驱动分支底座中心分别位于旋转平台上的等腰三角形两底角顶点，第三驱动分支底座中心位于旋转平台上的等腰三角形顶点，第四变胞驱动分支底座中心位于旋转平台上的等腰三角形底边中点；
所述第一驱动分支顶部与放置平台左侧相连，第二驱动分支顶部与放置平台右侧相连，第四变胞驱动分支与放置平台相连处与第一、第二驱动分支与放置平台相连处同轴线，第三驱动分支顶部与放置平台底部相连；
所述第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支、第四变胞驱动分支与旋转平台顶部的上平台以及放置平台构成具有三个转动自由度的2RPU-PU-UPS型过约束并联机构。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构，其特征在于：所述放置平台主体接近一个无顶长方体盒，盒内底层具有橡胶防滑垫，两侧靠近后上方处有圆柱形凸台，凸台上有安装圆柱滚子的凹槽用于与第四变胞驱动分支相连，盒外底前侧有矩形凸台与第三驱动分支相连。
3.根据权利要求1所述的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构，其特征在于：所述第一驱动分支为RPU型支链，主要包括转动副R、伺服驱动单元P、虎克铰U，第一驱动分支位于放置平台左侧，其转动副底座位于旋转平台左侧，转动副轴线与放置平台的长边平行，伺服驱动单元P的移动方向与转动副R轴线垂直，伺服电机作为驱动源，虎克铰U第一、第二转轴形成T形，第二转轴起点为第一转轴中点，虎克铰第一、第二转动副轴线相互垂直，第一转轴虎克铰U第一转动副轴线与转动副R轴线平行，第二转动副轴线与放置平台侧面圆柱形凸台轴线重合；
所述第一驱动分支由底座、转动副导轨、伺服电机、虎克铰导杆与T型轴虎克铰组成；
所述第二驱动分支为与第一驱动分支结构相同的RPU型支链，第二驱动分支位于放置平台右侧，其转动副底座位于旋转平台右侧。
4.根据权利要求1所述的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构，其特征在于：所述第三驱动分支为UPS型支链，主要包括虎克铰U、伺服驱动单元P、球铰S，第三驱动分支虎克铰U底座位于旋转平台前侧，球铰座位于放置平台前侧下方，所述虎克铰U第一、第二转动副轴线相互垂直，第一转动副轴线与第一驱动分支转动副R轴线平行，伺服驱动单元P移动方向与虎克铰转动副轴线垂直；
所述第三驱动分支由虎克铰底座、虎克铰导轨、伺服电机、球铰导杆与球铰座组成。
5.根据权利要求1所述的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构，其特征在于：所述第四变胞驱动分支具有变胞特性，通过驱动和锁死移动副改变构件的数目，可在PU型支链与固定虎克铰U之间转换，使并联机构在2RPU-PU-UPS型与2RPU-U-UPS型之间转换；
所述第四变胞驱动分支主要包括移动副P与虎克铰U，主要结构组成为固定导轨、步进电机、轴承座导杆、弓形转动构件，固定导轨底部中点位于第一、第二驱动分支转动副底座中点连线的中点上，移动副P运动方向垂直于第一、第二驱动分支转动副底座中点连线，轴承座导杆可视为三部分，第一部分直导杆安装在固定导轨上，第二部分为四分之一圆形弯杆终点位于放置平台后侧，第三部分为直杆与顶部轴承座，顶部轴承座的轴承轴线与弓形转动构件中部转轴轴线共线，为虎克铰U第一转动副轴线，该轴线与第一、第二驱动分支转动副R轴线平行，弓形转动构件两端为圆柱形构件，内侧为圆柱凸轴与放置平台圆形凹处的轴承配合，外侧为圆柱形凹槽，内安装有圆柱滚子轴承与第一、第二驱动分支虎克铰的第二转轴配合，三者轴线共线。
6.根据权利要求1所述的一种三自由度过约束踝关节康复变胞混联机构，其特征在于：所述旋转平台为串联机构，主要包括定平台、伺服驱动电机、大齿轮轴、控制盒与上平台，上平台下方为大齿轮轴，与伺服驱动电机末端小齿轮相互啮合，伺服驱动电机位于定平台上，控制盒接收命令后控制各电机工作，调整变胞混联机构运动状态，完成踝关节康复训练任务。
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