CN210500263U - 一种三自由度广义球面并联机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种三自由度广义球面并联机构，包括：动平台、静平台和支链；该并联机构具有两个不重合的旋转球心，分别为定球心和动球心，动平台绕动球心做自由度为1的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动；三自由度广义球面并联机构支链具有两种类型，分别为：ABAA型支链和ABA型支链，ABA型支链有两条，ABAA型支链有一条；所有支链均由A型连杆和B型连杆组成，A型连杆为球面连杆，其两端孔的轴心线相交于一点，B型连杆为双球心球面连杆，所有B杆定球心重合组成并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成并联机构的动球心。该机构灵活度与运动精度高。

Description

一种三自由度广义球面并联机构

技术领域

本实用新型涉及机械工程领域，具体涉及一种三自由度广义球面并联机构，能应用于踝关节的康复训练。

背景技术

随着医疗康健领域与机器人领域的不断发展，越来越多的康健机器人进入人们的视野。康健机器人不仅可以帮助关节损伤患者作康复运动，还可以用于运动员的运动训练和和老年人群的关节矫正。现有的康复机器人普遍具有刚度大、承载能力强、灵活度高的优点。然而，针对人体关节运动的复杂性，使用现有的机构已很难提高康复机器人的拟合精度、消除人机交互力，康健机器人的机构设计以遇到了较大的瓶颈。以踝关节康复机器人为例，其大部分构型以灵巧眼机构(三自由度球面并联机构)为基础，该机构具有一个动平台，一个静平台和三条支链，每一条直链均有两个球面连杆与三个转动副构成，且该机构的所有转动副回转中心轴会交与空间一点，将人体踝关节等效为标准球面副，而人体踝关节是人体最为复杂的关节之一，包含有胫骨、腓骨、距骨、舟骨与跟骨等，如果简单的将其简化为标准球面副，则会产生较大的人机交互力。为解决此类问题，提出一种可以充分拟合踝关节运动的新机构是十分有意义的。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种三自由度广义球面并联机构，为新型踝关节康复型机器人设计提供基础理论依据。该机构具有足够的灵活度与运动精度，具有简单、灵巧、多变、适应性强等优点。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种三自由度广义球面并联机构，包括：动平台、静平台和支链；其特征在于，

该并联机构具有两个不重合的旋转球心，分别为定球心和动球心，且两个球心之间的距离为一可调节定值，整体视为动平台绕动球心做自由度为1的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动；三自由度广义球面并联机构支链具有两种类型，分别为：用于控制动平台绕动球心的运动的ABAA型支链和用于控制动球心绕定球心的运动的ABA型支链，ABA型支链有两条，ABAA型支链有一条；所有支链均由A型连杆和B型连杆组成，A型连杆为球面连杆，其两端孔的轴心线相交于一点，而B型连杆为广义球面连杆，视为双球心球面连杆，即B型连杆具有两个广义球心，分别为B杆定球心与B杆动球心，在此定义B型连杆的两个广义球心所连结成的线段为“双心线段”，“双心线段”的长度为“双心距”，同一并联机构中的所有B型连杆的“双心距”相等，且运动过程所有B型连杆的“双心线段”始终完全重合，即所有B杆定球心重合组成并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成并联机构的动球心。

上述的三自由度广义球面并联机构的应用，该并联机构应用于踝关节康复机器人中，在基于上述并联机构的踝关节康复机器人构件尺寸设计中，根据患者距骨的参数，确定患者胫骨与距骨之间的平均相对转动球心、和距骨与跟骨之间的平均相对转动球心，并计算两转动球心之间的距离参数，根据此距离参数确定并联机构的“双心距”，实现在运动拟合过程中并联机构动平台与静平台之间的相对运动与人体踝关节运动充分拟合，即并联机构动球心始终与距骨与跟骨的平均相对转动球心重合，并联机构定球心始终与胫骨与距骨的平均相对转动球心重合。相对于传统三自由度并联机构(灵巧眼机构)，广义并联机构对踝关节运动的拟合更为精确、合理，拟合效果有显著的提高。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

本实用新型首次提出广义球面并联机构构型，给出了广义并联球面机构的支链类型，给出了B连杆的构造方法，以及支链与动、静平台的连接方式，机构具有两个转动球心，一个为定球心，一个为动球心，动球心相对于定球心做两自由度转动，动平台绕动球心作一自由度转动。该机构既具有并联机构承载能力强，运动灵巧性高等特点，又可以拟合部分串联机构的运动。

本实用新型三自由度广义球面并联机构能运用于人体踝关节康健机器人设计之中，不仅更加符合人体踝关节的运动规律，灵巧性高，拟合更加精确、合理，而且制造成本较低，结构简单，控制方便。相对于传统三自由度并联机构，该实用新型机构大幅度削弱了了拟合过程中由于人体踝关节距骨存在产生的人机交互力，从机构构型上解决了传统三自由度并联机构拟合踝关节运动交互性能差的问题，适应性更强，结构简单，成本低廉。

本实用新型与现有座椅式外骨骼和弹簧助力支撑外骨骼相比，本实用新型具有更强的适应性，各关节自由度更符合人体实际，可支持人体下肢在任意复杂姿势下的稳定支撑。与现有驱动式外骨骼相比，本实用新型具有低成本、低重量、低能耗、益操作等优势，其方便携带的特点，可支持其在户外等其他复杂工况下工作。

本实用新型使用方便、操作简单、运动灵活，负重能力强，安全可靠、适应各类人群。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例的整体结构示意图。

图中，1、一号支链；11、一号支链一号连杆；12、一号支链二号连杆；13、一号支链三号连杆；14、一号支链一号轴；15、一号支链二号轴；16、一号支链三号轴；17、一号支链四号轴；2、二号支链；21、二号支链一号连杆；22、二号支链二号连杆；23、二号支链三号连杆；24、二号支链一号轴；25、二号支链二号轴；26、二号支链三号轴；27、二号支链四号轴；3、三号支链；31、三号支链一号连杆；32、三号支链二号连杆；33、三号支链三号连杆；34、三号支链四号连杆；35、三号支链一号轴；36、三号支链二号轴；37、三号支链三号轴；38、三号支链四号轴；39、三号支链五号轴；4、静平台；5、动平台；

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请的保护范围。

本实用新型三自由度广义球面并联机构，包括：动平台、静平台和支链；三自由度广义球面并联机构具有两个不重合的旋转球心，分别为定球心和动球心，且两个球心之间的距离为一可调节定值，整体视为动平台绕动球心做自由度为1的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动，故三自由度广义球面并联机构具有3个自由度，可充分适应、匹配踝关节自由度；三自由度广义球面并联机构支链具有两种类型，分别为：ABAA型支链和ABA型支链，其中两条ABA型支链主要控制动球心绕定球心的运动，一条ABAA型支链主要控制动平台绕动球心的运动；三自由度广义球面并联机构所有支链均由A型连杆，和B型连杆组成，A型连杆为球面连杆，其两端孔的轴心线相交于一点，而B型连杆为广义球面连杆，B型连杆在广义并联机构中可视其为双球心球面连杆，即B型连杆具有两个广义球心，分别为B杆定球心与B杆动球心，B型连杆的两端孔的轴心线在空间内不一定相交，在此定义B型连杆的两个广义球心所连结成的线段为“双心线段”，“双心线段”的长度为“双心距”，并联机构要求同一并联机构中的所有B型连杆的“双心距”必须相等，且运动过程所有B型连杆的“双心线段”始终完全重合，即所有B杆定球心重合组成并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成并联机构的动球心。

在基于上述的并联机构的踝关节康复机器人构件尺寸设计中，根据患者距骨的参数，可确定患者胫骨与距骨之间的平均相对转动球心，和距骨与跟骨之间的平均相对转动球心，并可计算两球心之间的距离参数，根据此参数可确定广义并联机构的“双心距”，实现在运动拟合过程中机构动平台与静平台之间的相对运动与人体踝关节运动充分拟合，即机构动球心始终与距骨与跟骨的平均相对转动球心重合，机构定球心始终与胫骨与距骨的平均相对转动球心重合。

人体踝关节运动更为合理的等效模型为：胫骨下表面与距骨上表面之间配合连接视为球面副，距骨下表面与跟骨上表面之间配合连接视为球面副，两个球面副球心之间的距离为一常数，该常数由使用者距骨相关尺寸参数决定。在该等效模型的基础上，为更好地拟合人体踝关节运动，提出了三自由度广义球面并联机构构型，可有效的解决传统球面连杆机构难以解决的踝关节康复机器人的人机交互性差的问题，为新型踝关节康复机器人设计方案提供重要的理论依据。

当该机构应用于踝关节康复机器人设计时，其不仅要充分满足人体踝关节运动的自由度与运动空间，还要充分拟合踝关节距骨与跟骨之间的瞬时运动，即同时拟合胫骨与距骨、距骨与跟骨之间的运动，充分消除传统球面机构难以消除的由踝关节距骨引起的人机交互力。

本实用新型的三自由度广义球面并联机构构型不仅可以用在踝关节中，也可用于精密手术、精密维修等领域。本申请中两个球心(定球心和动球心)之间的距离为可调节定值，是指在机构构型设计过程中可以任意选择该距离尺寸，不受其他构件尺寸限制，但是，一旦尺寸确定制造完全后不可更改。构型中给出的A型连杆尺寸并不全部相同，B型连杆尺寸也不一定全部相同，但是所有B型连杆的“双心距”必须相等。

实施例1

本实施例三自由度广义球面并联机构(参见图1)由静平台4、动平台5、两条ABA型支链(一号支链1与二号支链2)和一条ABAA型闭环支链(三号支链3)构成；静平台4为具有三个转动副的球面连杆，即所具有的三个侧端通孔的轴心线空间汇交于一点；动平台5为具有三个转动副的球面连杆，即所具有的三个侧端通孔的轴心线空间汇交于一点。一号支链1为ABA型支链，其中，一号支链一号连杆11为A型连杆，一号支链二号连杆12为B型连杆，一号支链三号连杆13为A型连杆；动平台5的一号支链孔与一号支链三号连杆13的上端孔之间通过一号支链四号轴17连接配合形成转动副；一号支链三号连杆13下端孔与一号支链二号连杆12的上端孔通过一号支链三号轴16连接配合形成转动副；一号支链二号连杆12的下端孔与一号支链一号连杆11的上端孔通过一号支链二号轴15连接配合形成转动副；一号支链一号连杆11的下端孔与静平台4的一号支链孔通过一号支链一号轴14连接配合形成转动副；

二号支链2为ABA型支链，其中，二号支链一号连杆21为A型连杆；二号支链二号连杆22为B型连杆；二号支链三号连杆23为A型连杆；动平台5的二号支链孔与二号支链三号连杆23的上端孔通过二号支链四号轴27连接配合形成转动副；二号支链三号连杆23的下端孔与二号支链二号连杆22的上端孔通过二号支链三号轴26连接配合形成转动副；二号支链二号连杆22的下端孔与二号支链一号连杆21的上端孔通过二号支链二号轴25连接配合形成转动副；二号支链一号连杆21的下端孔与静平台4的二号支链孔通过二号支链一号轴24连接配合形成转动副；

三号支链3为ABAA型支链，其中，三号支链一号连杆31为A型连杆；三号支链二号连杆32为A型连杆；三号支链三号连杆33为B型连杆；三号支链四号连杆34为A型连杆；动平台5的三号支链孔与三号支链四号连杆34的上端孔通过三号支链五号轴39连接配合形成转动副；三号支链四号连杆34的下端孔与三号支链三号连杆33的上端孔通过三号支链四号轴38连接配合形成转动副；三号支链三号连杆33的下端孔与三号支链二号连杆32的上端孔通过三号支链三号轴37连接配合形成转动副；三号支链二号连杆32的下端孔与三号支链一号连杆31的上端孔通过三号支链二号轴36连接配合形成转动副；三号支链一号连杆31的下端孔与静平台4的三号支链孔通过三号支链一号轴35连接配合形成转动副；

一号支链一号轴14、一号支链二号轴15、二号支链一号轴24、二号支链二号轴25、三号支链一号轴35、三号支链二号轴36、三号支链三号轴37的轴心线空间汇交于一点，此点即为三自由度广义球面并联机构的定球心；一号支链三号轴16、一号支链四号轴17、二号支链三号轴26、二号支链四号轴27、三号支链四号轴38、三号支链五号轴39的轴线空间汇交于一点，此点即为三自由度广义球面并联机构的动球心。

三自由度广义球面并联机构的工作原理如下：

一号支链一号连杆11、二号支链一号连杆21、三号支链一号连杆31作为三自由度广义球面并联机构的三个原动件，其相对于静平台4的三个旋转角度即为该机构的输入量，即该机构的动平台具有三个空间自由度(动球心绕定心的二自由度球面运动，动平台绕动球心的一自由度球面运动)；一号支链一号连杆11与二号支链一号连杆21分别带动一号支链二号连杆12和二号支链二号连杆22，由于静平台4、一号支链一号连杆11、二号支链一号连杆21均为A型球面连杆，故限制B型连杆一号支链二号连杆12与二号支链二号连杆22的“B杆定球心”重合于一点；由于广义球面并联连杆机构的所有B型连杆的“双心距”相等，且动平台5、二号支链三号连杆23与三号支链三号连杆33均为A型球面连杆，故限制了B型连杆一号支链二号连杆12和二号支链二号连杆22的“B杆动球心”重合于一点，此时一号支链二号连杆12和二号支链二号连杆22之间的运动即为绕重合后的“双心线段”的相对转动；此时静平台4、一号支链一号连杆11、一号支链二号连杆12、二号支链二号连杆22与二号支链一号连杆21之间组成了球面五杆机构，球面五杆机构自由度为2，即一号支链一号连杆11与二号支链一号连杆21的输入角度决定了三自由度广义球面并联机构的“动球心”空间位置，同时说明该动球心具有2个自由度；三号支链一号连杆31、三号支链二号连杆32均为A型球面连杆，故其限制了B型连杆三号支链三号连杆33的“B杆定球心”均与一号支链二号连杆12和二号支链二号连杆22的“B杆定球心”重合；三号支链四号连杆34、一号支链三号连杆13、二号支链三号连杆23与动平台5均为A型球面连杆，其限制了B型连杆三号支链三号连杆33的“B杆动球心”均与一号支链二号连杆12和二号支链二号连杆22的“B杆动球心”重合；故三号支链三号连杆33的空间运动为绕“双心线段”的转动；若原动件一号支链一号连杆11与二号支链一号连杆21的输入给定，则广义球面并联机构的“双心线段”空间位姿固定；此时静平台4、三号支链一号连杆31、三号支链二号连杆32、三号支链三号连杆33组成球面四杆机构，四杆机构具有1个自由度，即三号支链一号连杆31通过三号支链二号连杆32带动三号支链三号连杆33绕重合的“双心线段”转动；三号支链三号连杆33通过三号支链四号连杆34在A型连杆一号支链三号连杆13与二号支链三号连杆23的限制下，带动动平台5绕“动球心”做球面运动。

综上，原动件一号支链一号连杆11与二号支链一号连杆21的转角输入控制“动球心”绕“定球心”的球面运动其具有两个自由度，当该机构用于人体踝关节康复机器人设计中时，其主要拟合使用者踝关节胫骨与距骨之间的相对运动；三号支链一号连杆31的转角输入控制动平台5绕“动球心”的球面运动，具有1个自由度，其主要拟合使用者踝关节距骨与跟骨之间的相对运动；该机构整体具有3个自由度，故广义球面并联机构相对于球面并联机构，可以更为精确的拟合踝关节运动，大幅度减小由于机构构型引起的人机交互力。

本实施例中动平台与连杆配合的孔的位置，可以视为斜向开孔，其三个孔的轴线空间交于一点，如图1所示。静平台同理。机构连杆上开孔位置与所有构件尺寸均为了满足所有转动副轴心线的汇交关系。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (1)

1.一种三自由度广义球面并联机构，包括：动平台、静平台和支链；其特征在于，

该并联机构具有两个不重合的旋转球心，分别为定球心和动球心，动平台绕动球心做自由度为1的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动；三自由度广义球面并联机构支链具有两种类型，分别为：ABAA型支链和ABA型支链，ABA型支链有两条，ABAA型支链有一条；所有支链均由A型连杆和B型连杆组成，A型连杆为球面连杆，其两端孔的轴心线相交于一点，B型连杆为双球心球面连杆，即B型连杆具有两个广义球心，分别为B杆定球心与B杆动球心，在此定义B型连杆的两个广义球心所连结成的线段为“双心线段”，“双心线段”的长度为“双心距”，同一并联机构中的所有B型连杆的“双心距”相等，所有B杆定球心重合组成并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成并联机构的动球心。

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