CN209122785U - 一种两平移一转动膝关节康复机器人 - Google Patents
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Abstract
一种两平移一转动膝关节康复机器人，大腿夹具的大腿固定支撑架通过转动副A与第一支链上连杆调节装置相连接，第一支链下连杆调节装置与小腿夹具通过转动副C相连接。大腿夹具的大腿固定支撑架通过圆柱副与第二支链上连杆调节装置相连接，第二支链下连杆调节装置与小腿夹具通过虎克铰相连接。大腿夹具的大腿固定支撑架与第三支链的电动推杆的自由端通过转动副D相连接，电动推杆的固定端通过转动副E与小腿夹具相连接。本发明刚度大、承载能力强、累计误差小、运动精度高，更贴合人体膝关节的运动规律，仿生性好，在康复过程中不会与腿发生干涉，增大小腿摆动方向的工作空间，可改变人体运动轨迹，能满足不同膝关节尺寸患者的需求，通用性好。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种康复机器人，特别涉及一种新型并联式膝关节康复机器人。
背景技术
近年来，中国的经济增长迅速，交通运输业也迅猛发展，因交通事故造成肢体损伤的人数也随之上升。同时我国也面临人口老龄化。老年人中心脑血管疾病频发，多数患者伴有偏瘫症状。根据相关的临床医学研究和证明，此类疾病除了在早期运用手术治疗以外，采用正确的、科学的康复训练，对肢体运动功能的恢复和提高有非常好的促进作用。当前的医疗手段主要依赖于治疗师人工进行康复治疗，这种康复训练方式，不仅治疗时间长、效率低，而且人工训练的成本也很高。康复医学和机器人技术相结合产生的康复机器人，会弥补传统康复治疗手段的缺点。
膝关节在运动过程中，股骨和胫骨之间的相对运动，是滚动和滑动的复合运动。因此，膝关节的主要运动形式是人体矢状面内的屈曲运动。当前的膝关节外骨骼机器人多数将膝关节简化成一个单自由度的转动副，这种转动中心固定的外骨骼瞬心轨迹与人体真实膝关节瞬心轨迹差别较大，仿生性能差。下肢康复机器人的膝关节另外一种重要形式采用多连杆机构，多连杆机构具有可变瞬时转动中心的运动学特性，与真实膝关节的运动相仿，仿生性好。但是连杆机构有确定的结构参数，运动轨迹一定，对不同的个体不方便调节，通用性差。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够克服轴线固定的单自由度转动副仿生性差、多连杆机构通用性差的缺点，能够实现变中心的转动运动的两平移一转动膝关节康复机器人。
本发明主要包括大腿夹具、第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、小腿夹具。
大腿夹具的大腿固定支撑架通过转动副A与第一支链上连杆调节装置相连接，第一支链下连杆调节装置与小腿夹具通过转动副C相连接。大腿夹具的大腿固定支撑架通过圆柱副与第二支链上连杆调节装置相连接，第二支链下连杆调节装置与小腿夹具通过虎克铰相连接。大腿夹具的大腿固定支撑架与第三支链的电动推杆的自由端通过转动副D相连接，电动推杆的固定端通过转动副E与小腿夹具相连接。
大腿夹具包括连接销、限位链条、内衬、大腿固定支撑架、螺钉、销轴、粘带、卡扣、大腿活动支撑架和电机Ⅰ。大腿固定支撑架和大腿活动支撑架一侧通过销轴连接，大腿固定支撑架和大腿活动支撑架的另一侧通过连接销实现大腿活动支撑架的打开和关闭。大腿固定支撑架上设有卡环，卡环与限位链条的一端相连接，限位链条的另一端与连接销相连接，可以防止连接销丢失。内衬通过螺钉固定在大腿支撑架的内侧，两个内衬关于人体额状面对称布置。粘带的一侧与内衬紧密粘连，粘带的另一侧通过卡扣调节粘带的内径。
小腿夹具的结构与大腿夹具的结构完全相同。
第一运动支链包括电机Ⅰ、第一支链上连杆调节装置、第一支链下连杆调节装置、螺钉。第一支链上连杆调节装置包括第一支链上连杆圆杆和第一支链上连杆圆杆套筒，第一支链下连杆调节装置包括第一支链下连杆圆杆和第一支链下连杆圆杆套筒。第一支链上连杆圆杆和第一支链上连杆圆杆套筒上均设有对应的调节通孔，第一支链下连杆圆杆和第一支链下连杆圆杆套筒上均设有对应的调节通孔，第一支链上连杆圆杆与第一支链上连杆圆杆套筒之间、第一支链下连杆圆杆与第一支链下连杆圆杆套筒之间均通过螺钉调节长度。电机Ⅰ的输出轴通过联轴器与转动副A的转动轴连接，驱动第一支链上连杆调节装置转动。第一支链上连杆调节装置与第一支链下连杆调节装置通过转动副B连接。转动副A、转动副B、转动副C的轴线相互平行。
第二运动支链包括电机Ⅱ、第二支链上连杆调节装置、第二支链下连杆调节装置、螺钉。第二支链上连杆调节装置包括第二支链上连杆圆杆和第二支链上连杆圆杆套筒，第二支链下连杆调节装置包括第二支链下连杆圆杆和第二支链下连杆圆杆套筒。第二支链上连杆圆杆和第二支链上连杆圆杆套筒上均设有对应的调节通孔，第二支链下连杆圆杆与第二支链上连杆圆杆套筒之间、第二支链下连杆圆杆与第二支链下连杆圆杆套筒之间均通过螺钉调节长度。电机Ⅱ的输出轴通过联轴器与圆柱副的转动轴连接，驱动第二支链上连杆调节装置转动。第二支链上连杆调节装置与第二支链下连杆调节装置通过转动副F连接。虎克铰的一个转动副轴线平行于圆柱副的轴线和转动副F的轴线。
第三运动支链主要是电动推杆，转动副D和转动副E的轴线相互平行。
第一运动支链的转动副C与第三运动支链转动副E的轴线平行，与第二运动支链虎克铰的一个转动副轴线平行。第二运动支链虎克铰的中心在第一运动支链转动副C与第三运动支链转动副E中心连线的垂直平分线上。
本发明在使用时，在三自由度并联机构中，小腿夹具分别与第一支链下连杆调节装置、第二支链下连杆调节装置、第三支链电动推杆一端通过转动副E、虎克铰、转动副C连接，小腿与小腿夹具在P处接触。在三条运动支链的电机和电动推杆的驱动下，可以实现膝关节康复机器人带动小腿实现屈曲运动，从而实现康复机器人膝关节运动。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明采用并联机构，与传统的串联机构相比刚度大、承载能力强、累计误差小、运动精度高。
2.克服了轴线固定的单自由度转动副的缺点，采用能实现两平移一转动的并联机构，可以实现膝关节的复杂运动，更贴合人体膝关节的运动规律，仿生性好。
3.本发明结构紧凑，在康复过程中连杆不会与腿发生干涉。
4.该机构是非对称并联机构，适应人体下肢运动的非对称要求，与对称机构相比能增大小腿摆动方向的工作空间。
5.该并联机构是部分解耦机构与完全解耦并联机构相比刚度大、承载能力高。与强耦合并联机构相比分析计算方便、容易控制。
6.可以改变人体运动轨迹，在一定程度能满足不同膝关节尺寸患者的需求，通用性好。
附图说明
附图1为本发明的一种新型两平移一转动膝关节康复机器人的整体结构示意图；
附图2(1)为本发明的一种新型两平移一转动膝关节康复机器人大腿夹具的结构爆炸示意图；
附图2(2)为本发明的一种新型两平移一转动膝关节康复机器人大腿夹具的整体结构示意图；
附图3为本发明的一种新型两平移一转动膝关节康复机器人第一运动支链结构示意图；
附图4为本发明的一种新型两平移一转动膝关节康复机器人第二运动支链结构示意图；
附图5为本发明的一种新型两平移一转动膝关节康复机器人第三运动支链结构示意图；
附图6为本发明的一种新型两平移一转动膝关节康复机器人与小腿夹具相连的三个分支运动副之间位置关系示意图；
附图7为本发明的一种新型两平移一转动膝关节康复机器人穿戴于膝关节的示意图。
图中，(一)大腿夹具、(二)第一运动支链、(三)第二运动支链、(四)第三运动支链、(五)小腿夹具、1-连接销、2-限位链条、3-内衬、4-大腿固定支撑架、5-螺钉、6-销轴、7-粘带、8-卡扣、9-大腿活动支撑架、10-1-电机Ⅰ、10-2-电机Ⅱ、11-第一支链上连杆调节装置、1101-第一支链上连杆圆杆、1102-第一支链上连杆圆杆套筒、12-第一支链下连杆调节装置、1201-第一支链下连杆圆杆、1202-第一支链下连杆圆杆套筒、13-螺钉、14-转动副A、15-转动副B、16-转动副C、17-第二支链上连杆调节装置、1701-第二支链上连杆圆杆、1702-第二支链上连杆圆杆套筒、18-第二支链下连杆调节装置、1801-第二支链下连杆圆杆、1802-第二支链下连杆圆杆套筒、19-圆柱副、20-转动副F、21-虎克铰、22-转动副D、23-电动推杆、24-转动副E、25-卡环。
具体实施方式
本发明主要包括大腿夹具(一)、第一运动支链(二)、第二运动支链(三)、第三运动支链(四)和小腿夹具(五)。
在图1、图2(1)和图6所示的本发明的示意简图中，大腿夹具的大腿固定支撑架4通过转动副A14与第一支链上连杆调节装置11相连接，第一支链下连杆调节装置12与小腿夹具通过转动副C16相连接。大腿夹具的大腿固定支撑架4通过圆柱副19与第二支链上连杆调节装置17相连接，第二支链下连杆调节装置18与小腿夹具通过虎克铰21相连接。大腿夹具的大腿固定支撑架4与第三支链的电动推杆23的自由端通过转动副D22相连接，电动推杆23的固定端通过转动副24与小腿夹具相连接。
如图2(1)、(2)，大腿夹具包括连接销1、限位链条2、内衬3、大腿固定支撑架4、螺钉5、销轴6、粘带7、卡扣8、大腿活动支撑架9和电机Ⅰ10-1。大腿固定支撑架4和大腿活动支撑架9一侧通过销轴6连接，另一侧通过连接销1实现大腿活动支撑架9的打开和关闭。大腿固定支撑架4上设有卡环25，卡环25与限位链条2的一端相连接，限位链条2的另一端与连接销1相连接，可以防止连接销丢失。内衬3通过螺钉5固定在大腿固定支撑架4的内侧，两个内衬3关于人体额状面对称布置。粘带7的一侧与内衬3紧密粘连，粘带7的另一侧通过卡扣8调节粘带7的内径。
小腿夹具的结构与大腿夹具的结构相同。
在图3所示的本发明的示意简图中，第一运动支链包括电机Ⅰ10-1、第一支链上连杆调节装置11、第一支链下连杆调节装置12、螺钉13。第一支链上连杆调节装置11包括第一支链上连杆圆杆1101和第一支链上连杆圆杆套筒1102，第一支链下连杆调节装置12包括第一支链下连杆圆杆1201和第一支链下连杆圆杆套筒1202。第一支链上连杆圆杆1101和第一支链上连杆圆杆套筒1102上均设有对应的调节通孔，第一支链下连杆圆杆1201和第一支链下连杆圆杆套筒1202上均设有对应的调节通孔，第一支链上连杆圆杆1101与第一支链上连杆圆杆套筒1102之间、第一支链下连杆圆杆1201与第一支链下连杆圆杆套筒1202之间均通过螺钉13调节长度。电机Ⅰ10-1的输出轴通过联轴器与转动副A14的转动轴连接，驱动第一支链上连杆调节装置11转动。第一支链上连杆调节装置与第一支链下连杆调节装置通过转动副B15连接。转动副A14、转动副B15、转动副C16的轴线相互平行。
在图4所示的本发明的示意简图中，第二运动支链包括电机Ⅱ10-2、第二支链上连杆调节装置17、第二支链下连杆调节装置18、螺钉13。第二支链上连杆调节装置17包括第二支链上连杆圆杆1701和第二支链上连杆圆杆套筒1702，第二支链下连杆调节装置18包括第二支链下连杆圆杆1801和第二支链下连杆圆杆套筒1802。第二支链上连杆圆杆1701和第二支链上连杆圆杆套筒1702上均设有对应的调节通孔，第二支链下连杆圆杆1701与第二支链上连杆圆杆套筒1702之间、第二支链下连杆圆杆1801与第二支链下连杆圆杆套筒1802之间均通过螺钉13调节长度。电机Ⅱ10-2的输出轴通过联轴器与圆柱副19的转动轴连接，驱动第二支链上连杆调节装置17转动。第二支链上连杆调节装置与第二支链下连杆调节装置通过转动副F20连接。虎克铰的一个转动副轴线平行于圆柱副的轴线和转动副F20的轴线。
在图5所示的本发明的示意简图中，第三运动支链主要是电动推杆23，转动副D22和转动副E24的轴线相互平行。
第一运动支链的转动副C16与第三运动支链转动副E24的轴线平行，与第二运动支链虎克铰的一个转动副轴线平行。第二运动支链虎克铰的中心在第一运动支链转动副C16与第三运动支链转动副E24中心连线的垂直平分线上。
Claims (6)
1.一种两平移一转动膝关节康复机器人，主要包括大腿夹具、第一运动支链、第二运动支链、小腿夹具和第三运动支链，其特征在于：大腿夹具的大腿固定支撑架通过转动副A与第一支链上连杆调节装置相连接，第一支链下连杆调节装置与小腿夹具通过转动副C相连接，大腿夹具的大腿固定支撑架通过圆柱副与第二支链上连杆调节装置相连接，第二支链下连杆调节装置与小腿夹具通过虎克铰相连接，大腿夹具的大腿固定支撑架与第三支链的电动推杆的自由端通过转动副D相连接，电动推杆的固定端通过转动副E与小腿夹具相连接。
2.根据权利要求1所述的一种两平移一转动膝关节康复机器人，其特征在于：大腿夹具包括连接销、限位链条、内衬、大腿固定支撑架、螺钉、销轴、粘带、卡扣、大腿活动支撑架和电机A，大腿固定支撑架和大腿活动支撑架一侧通过销轴连接，大腿固定支撑架和大腿活动支撑架的另一侧通过连接销实现大腿活动支撑架的打开和关闭，大腿固定支撑架上设有卡环，卡环与限位链条的一端相连接，限位链条的另一端与连接销相连接，可以防止连接销丢失，内衬通过螺钉固定在大腿支撑架的内侧，两个内衬关于人体额状面对称布置，粘带的一侧与内衬紧密粘连，粘带的另一侧通过卡扣调节粘带的内径，大腿夹具的结构与小腿夹具的结构完全相同。
3.根据权利要求1所述的一种两平移一转动膝关节康复机器人，其特征在于：第一运动支链包括电机Ⅰ、第一支链上连杆调节装置、第一支链下连杆调节装置、螺钉，第一支链上连杆调节装置包括第一支链上连杆圆杆和第一支链上连杆圆杆套筒，第一支链下连杆调节装置包括第一支链下连杆圆杆和第一支链下连杆圆杆套筒，第一支链上连杆圆杆和第一支链上连杆圆杆套筒上均设有对应的调节通孔，第一支链下连杆圆杆和第一支链下连杆圆杆套筒上均设有对应的调节通孔，第一支链上连杆圆杆与第一支链上连杆圆杆套筒之间、第一支链下连杆圆杆与第一支链下连杆圆杆套筒之间均通过螺钉调节长度，电机Ⅰ的输出轴通过联轴器与转动副A的转动轴连接，驱动第一支链上连杆调节装置转动，第一支链上连杆调节装置与第一支链下连杆调节装置通过转动副B连接，转动副A、转动副B、转动副C的轴线相互平行。
4.根据权利要求1所述的一种两平移一转动膝关节康复机器人，其特征在于：第二运动支链包括电机Ⅱ、第二支链上连杆调节装置、第二支链下连杆调节装置、螺钉，第二支链上连杆调节装置包括第二支链上连杆圆杆和第二支链上连杆圆杆套筒，第二支链下连杆调节装置包括第二支链下连杆圆杆和第二支链下连杆圆杆套筒，第二支链上连杆圆杆和第二支链上连杆圆杆套筒上均设有对应的调节通孔，第二支链下连杆圆杆与第二支链上连杆圆杆套筒之间、第二支链下连杆圆杆与第二支链下连杆圆杆套筒之间均通过螺钉调节长度，电机Ⅱ的输出轴通过联轴器与圆柱副的转动轴连接，驱动第二支链上连杆调节装置转动，第二支链上连杆调节装置与第二支链下连杆调节装置通过转动副F连接，虎克铰的一个转动副轴线平行于圆柱副的轴线和转动副F的轴线。
5.根据权利要求1所述的一种两平移一转动膝关节康复机器人，其特征在于：第三运动支链主要是电动推杆，转动副D和转动副E的轴线相互平行。
6.根据权利要求3或4或5所述的一种两平移一转动膝关节康复机器人，其特征在于：第一运动支链的转动副C与第三运动支链转动副E的轴线平行，与第二运动支链虎克铰的一个转动副轴线平行，第二运动支链虎克铰的中心在第一运动支链转动副C与第三运动支链转动副E中心连线的垂直平分线上。
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