CN209154403U - 一种基于四自由度混联机构的脚踝康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于脚踝康复机器人，具体是一种基于四自由度混联机构的脚踝康复机器人。包括机械部分和运动控制系统，其中机械部分包括基座、固定于基座上沿Z轴转动的伺服电机、固定在伺服电机上的下平台,下平台上设置有并联机构；并联机构包括下平台前端两条结构对称的支链Ⅰ和支链Ⅱ；下平台后端设置支链Ⅲ，支链Ⅲ包括固定安装在下平台上的第三推杆电机，第三推杆电机的底端安装有第三下限位开关，第三推杆电机的顶端与虎克铰连接，虎克铰与安装在动平台上的凸缘连接，第三推杆电机上端安装第三上限位开关；动平台上设置有脚部固定装置。本实用新型不仅可以实现患者脚踝康复的趾屈、背屈运动、内翻、外翻运动、外展、内收运动。
Description
技术领域
本实用新型属于脚踝康复机器人，具体是一种基于四自由度混联机构的脚踝康复机器人。
背景技术
目前，借助外力或是利用医疗器械等积极地进行脚踝康复训练是脚踝康复治疗的关键。现有的脚踝康复训练器械，在不同程度上都存在一定的局限性。这些脚踝康复器都缺乏脚踝的牵引动作，在康复初期，无法在康复师对脚踝康复运动轨迹及活动范围方面进行追踪并且对脚踝的康复数据没有记录。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于四自由度混联机构的脚踝康复机器人，用于脚踝关节疾病、运动损伤和术后的康复和辅助治疗。基于四自由度混联机构的脚踝康复机器人可以实现脚踝关节的三维转动以及Z方向的牵引动作；针对不同患者的不同康复阶段，通过编码器检测电机的脉冲数，控制推杆电机的伸缩运动，限位开关控制电机的转停，不仅实现脚踝的单一康复运动，而且可以实现复杂的复合运动及牵引运动，促进脚踝受损部位的修复；将脚踝康复机器人与PC机通过运动控制卡连接，将康复师对患者康复时的脚踝康复运动轨迹及活动范围进行数据采集，经控制系统，将采集的数据施加至脚踝康复机器人，由其代替康复师对脚踝的康复运动。
本实用新型采取以下技术方案：一种基于四自由度混联机构的脚踝康复机器人，包括机械部分和运动控制系统，其中机械部分包括基座、固定于基座上沿Z轴转动的伺服电机、固定在伺服电机上的下平台,下平台上设置有并联机构；并联机构包括下平台前端两条结构对称的支链Ⅰ和支链Ⅱ，支链Ⅰ包括固定安装在下平台上的第一下球铰，第一下球铰与第一推杆电机的底端相连接，第一推杆电机的一侧安装有第一下限位开关，第一推杆电机的顶端与第一上球铰连接，第一上球铰与动平台连接，第一推杆电机在上球铰一侧安装第一上限位开关；支链Ⅱ包括固定安装在下平台上的第二下球铰，第二下球铰与第二推杆电机的底端相连接，第二推杆电机的一侧安装有第二下限位开关，第二推杆电机的顶端与第二上球铰连接，第二上球铰与动平台连接，第二上球铰一侧安装第二上限位开关；下平台后端设置支链Ⅲ，支链Ⅲ包括固定安装在下平台上的第三推杆电机，第三推杆电机的底端安装有第三下限位开关，第三推杆电机的顶端与虎克铰连接，虎克铰与安装在动平台上的凸缘连接，第三推杆电机上端安装第三上限位开关；动平台上设置有脚部固定装置。
所述的运动控制系统包括控制第一推杆电机、第二推杆电机、第三推杆电机及伺服电机的协同工作的信号控制台，信号控制台连接安装有运动控制卡的PC机，通过程序控制，将采集的数据通过信号控制台传输至脚踝康复机器人上。
伺服电机的转动轴线与虎克铰链Ⅲ.4的转动中心在同一条直线上。
根据不同人体脚的尺寸，脚部固定装置上开洞设计用于将脚绑扎固定，快捷简单方便。
依据不同患者不同的康复阶段，脚踝康复机器人不仅实现单一的康复动作，而且可实现脚踝的复合运动。
脚踝康复机器人其不仅实现脚踝的转动动作，还能够实现脚踝的牵引。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：基于四自由度的混联机构的脚踝康复机器人用于脚踝关节疾病、运动损伤和术后的康复与辅助治疗。结构简单，体积小，质量轻。通过运动轨迹规划控制推杆电机与伺服电机，不仅可以实现患者脚踝康复的趾屈、背屈运动、内翻、外翻运动、外展、内收运动，还可以实现脚踝Z方向的牵引运动；针对不同患者的不同康复阶段，通过控制推杆电机的伸缩，不仅实现脚踝的单一康复运动，而且可以实现复杂的复合运动促进脚踝受损部位的修复；将脚踝康复机器人与PC机通过运动控制卡连接，将康复师对患者康复时的脚踝康复运动轨迹进行数据采集并记录，经控制系统，将采集、记录的运动轨迹施加至脚踝康复机器人，代替康复师对脚踝的康复过程。该脚踝康复机器人采用集串联、并联机构的优点与一体的混联机构，其可以广泛地应用于康复机构、医院、家庭等场合，对脚踝康复具有重要的作用。
附图说明
图1本实用新型的机构原理图；
图2本实用新型的机构正视安装位置示意图；
图3支链Ⅰ和支链Ⅱ结构图；
图4支链Ⅲ结构图。
图中：1-底座，2-伺服电机，3-下平台，Ⅰ.1-第一下球铰，Ⅰ.2-第一下限位开关，Ⅰ.3-第一推杆电机，Ⅰ.4-第一上限位开关，Ⅰ.5-第一上球铰，Ⅱ.1-第二上球铰，Ⅱ.2-第二上限位开关，Ⅱ.3-第二推杆电机，Ⅱ.4-第二下限位开关，Ⅱ.5-第二下球铰，4-脚踝，5-动平台，6-凸缘，7-脚部固定装置，Ⅲ.1-第三下限位开关，Ⅲ.2-第三推杆电机，Ⅲ.3-第三上限位开关，Ⅲ.4-虎克铰。
具体实施方式
如图1所示，一种基于四自由度混联机构的脚踝康复机器人，包括机械部分和运动控制系统，其中机械部分包括基座1、固定于基座1上沿Z轴转动的伺服电机2、固定在伺服电机2上的下平台3,下平台3上设置有并联机构；并联机构包括下平台3前端两条结构对称的支链Ⅰ和支链Ⅱ，支链Ⅰ包括固定安装在下平台3上的第一下球铰Ⅰ.1，第一下球铰Ⅰ.1与第一推杆电机Ⅰ.3的底端相连接，第一推杆电机Ⅰ.3的一侧安装有第一下限位开关Ⅰ.2，第一推杆电机Ⅰ.3的顶端与第一上球铰Ⅰ.5连接，第一上球铰Ⅰ.5与动平台5连接，第一推杆电机 Ⅰ.3在上球铰一侧安装第一上限位开关Ⅰ.4；支链Ⅱ包括固定安装在下平台3上的第二下球铰Ⅱ.5，第二下球铰与第二推杆电机Ⅱ.3的底端相连接，第二推杆电机Ⅱ.3的一侧安装有第二下限位开关Ⅱ.4，第二推杆电机Ⅱ.3的顶端与第二上球铰Ⅱ.1连接，第二上球铰Ⅱ.1与动平台5连接，第二上球铰一侧安装第二上限位开关Ⅱ.2；下平台3后端设置支链Ⅲ，支链Ⅲ包括固定安装在下平台3上的第三推杆电机Ⅲ.2，第三推杆电机Ⅲ.2的底端安装有第三下限位开关Ⅲ.1，第三推杆电机Ⅲ.2的顶端与虎克铰Ⅲ.4连接，虎克铰Ⅲ.4与安装在动平台5上的凸缘6连接，第三推杆电机Ⅲ.2上端安装第三上限位开关Ⅲ.3；动平台5上设置有脚部固定装置7。
运动控制系统用于通过混联机器人控制技术控制推杆电机Ⅲ.2、Ⅱ.3、Ⅰ.3及伺服电机2的协同工作，以实现脚踝康复机器人动平台5的三维转动自由度及移动自由度，由支链Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ上的上下限位开关控制推杆电机的转停。四自由度混联机构的脚踝康复机器人与信号控制台连接，信号控制台连接安装有运动控制卡的PC机，将康复师针对患者不同受伤程度脚踝的康复轨迹及脚踝活动范围的数据进行采集，通过程序控制，将采集的数据通过信号控制台传输至脚踝康复机器人上，实现康复运动。
伺服电机2的转动轴线与虎克铰链Ⅲ.4的转动中心在同一条直线上。
根据不同人体脚的尺寸，脚部固定装置上开洞设计用于将脚绑扎固定，快捷简单方便。
本实用新型的工作原理如下：
坐标系的定义：如图1所示，坐标原点定义在支链Ⅰ与支链Ⅱ的中点，XYZ方向如图所示，转动方向满足右手定则。
本实用新型中电动推杆Ⅰ.3、Ⅱ.3、Ⅲ.2经连接电动推杆Ⅰ.3、Ⅱ.3、Ⅲ.2与动平台5的铰链Ⅰ.5、Ⅱ.1、Ⅲ.4将力和位移传递给动平台5，进一步动平台5将力和位移传递给固定在动平台上的脚部固定装置7，进而形成施加到需要对脚踝进行康复与辅助治疗的脚踝。
绕X轴的转动（内翻、外翻运动）的实现：
由图1可以看出由控制系统控制脚踝康复机器人实现绕X轴正转动时，推杆电机Ⅰ.3伸长相应的长度，推杆电机Ⅱ.3缩短相应的长度；同样的实现绕X轴负转动时，推杆电机Ⅰ.3缩短相应的长度，推杆电机Ⅱ.3伸长相应的长度。
绕Y轴的转动（趾屈、背屈运动）的实现：
由图1可以看出由控制系统控制脚踝康复机器人实现绕Y轴正转动时，推杆电机Ⅰ.3与推杆电机Ⅱ.3保持不变的伸缩量，只需推杆电机Ⅲ.2伸长相应的长度；同样的实现绕Y轴负转动时，推杆电机Ⅰ.3与推杆电机Ⅱ.3保持不变的伸缩量，只需推杆电机Ⅲ.2缩短相应的长度。
绕Z轴的转动（外展、内收运动）的实现：
由图1可以看出由控制系统控制脚踝康复机器人实现绕Z轴正转动时，推杆电机Ⅰ.3、推杆电机Ⅱ.3与推杆电机Ⅲ.2保持不变的伸缩量，只需伺服电机2正向转动相应的圈数；同时的实现Z轴负转动时，推杆电机Ⅰ.3、推杆电机Ⅱ.3与推杆电机Ⅲ.2保持不变的伸缩量，只需伺服电机2反向转动相应的圈数。
沿Z轴的移动（牵引运动）的实现：
由图1可以看出由控制系统控制脚踝康复机器人实现沿Z轴正移动时，在伺服电机2不转动时，推杆电机Ⅰ.3、推杆电机Ⅱ.3与推杆电机Ⅲ.2保持相同的伸长量；同时的沿Z轴负移动时，在伺服电机2不转动时，推杆电机Ⅰ.3、推杆电机Ⅱ.3与推杆电机Ⅲ.2保持相同的缩短量。
Claims (3)
1.一种基于四自由度混联机构的脚踝康复机器人，其特征在于：包括机械部分和运动控制系统，其中机械部分包括基座（1）、固定于基座（1）上沿Z轴转动的伺服电机（2）、固定在伺服电机（2）上的下平台（3）,下平台（3）上设置有并联机构；并联机构包括下平台（3）前端两条结构对称的支链Ⅰ和支链Ⅱ，支链Ⅰ包括固定安装在下平台(3)上的第一下球铰(Ⅰ.1)，第一下球铰(Ⅰ.1)与第一推杆电机 (Ⅰ.3)的底端相连接，第一推杆电机(Ⅰ.3)的一侧安装有第一下限位开关(Ⅰ.2)，第一推杆电机(Ⅰ.3)的顶端与第一上球铰(Ⅰ.5)连接，第一上球铰(Ⅰ.5)与动平台(5)连接，第一推杆电机 (Ⅰ.3)在上球铰一侧安装第一上限位开关(Ⅰ.4)；支链Ⅱ包括固定安装在下平台(3)上的第二下球铰(Ⅱ.5)，第二下球铰与第二推杆电机(Ⅱ.3)的底端相连接，第二推杆电机(Ⅱ.3)的一侧安装有第二下限位开关(Ⅱ.4)，第二推杆电机(Ⅱ.3)的顶端与第二上球铰(Ⅱ.1)连接，第二上球铰(Ⅱ.1)与动平台(5)连接，第二上球铰一侧安装第二上限位开关(Ⅱ.2)；下平台(3)后端设置支链Ⅲ，支链Ⅲ包括固定安装在下平台(3)上的第三推杆电机(Ⅲ.2)，第三推杆电机(Ⅲ.2)的底端安装有第三下限位开关(Ⅲ.1)，第三推杆电机(Ⅲ.2)的顶端与虎克铰(Ⅲ.4)连接，虎克铰(Ⅲ.4)与安装在动平台(5)上的凸缘(6)连接，第三推杆电机(Ⅲ.2)上端安装第三上限位开关(Ⅲ.3)；动平台(5)上设置有脚部固定装置 (7)；所述的运动控制系统包括控制第一推杆电机(Ⅰ.3)、第二推杆电机(Ⅱ.3)、第三推杆电机(Ⅲ.2)及伺服电机(2)的协同工作的信号控制台，信号控制台连接安装有运动控制卡的PC机。
2.根据权利要求1所述的基于四自由度混联机构的脚踝康复机器人，其特征在于：所述的伺服电机（2）的转动轴线与虎克铰链（Ⅲ.4）的转动中心在同一条直线上。
3.根据权利要求1所述的基于四自由度混联机构的脚踝康复机器人，其特征在于：所述的脚部固定装置上设置有开洞。
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