CN210500264U - 一种五自由度广义球面并联机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种五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，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，B型连杆为双球心球面连杆，同一并联机构中的所有B型连杆的两个球心之间的距离相等，所有B杆定球心重合组成广义球面并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成广义球面并联机构的动球心；动平台绕动球心做自由度为3的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动；五自由度广义球面并联机构的支链具有两种类型，分别为AABA型支链与ABAA型支链；AABA型支链有两条，ABAA型支链有三条。该机构灵活度更高，适应性更强。

Description

一种五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，具体涉及一种五自由度广义球面并联机构。

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，提供一种五自由度广义球面并联机构，并为一种新型人体踝关节康健机器人设计方案提供理论基础。该机构具有与人体踝关节相适应的自由度与运动空间，充分考虑由于踝关节距骨存在引起的球面不对心问题(目前的踝关节康复机器人设计均将踝关节视为标准的球面运动，但此类运动即踝关节胫骨与距骨之间的相对运动并非标准球面运动，存在着严重不对心的问题)；该机构具有足够的灵活度、简单、灵巧、多变、适应性强。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种五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，且两个球心之间的距离为一可调节定值，其特征在于，并联机构整体视为动平台绕动球心做自由度为3的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动；五自由度广义球面并联机构的支链具有两种类型，分别为用于控制动球心绕定球心的球面运动的AABA型支链与用于控制动平台绕动球心的球面运动的ABAA型支链；AABA型支链有两条，ABAA型支链有三条；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”必须相等，且运动过程中所有B型连杆的“双心线段”始终完全重合，即所有B杆定球心重合组成广义球面并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成广义球面并联机构的动球心。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型首次提出五自由度广义球面并联机构构型，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，动平台绕动球心作三自由度转动，具有五条支链，相邻支链之间形成转动副。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。

本实用新型并联机构能运用于人体康健机器人踝关节设计之中，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，有效解决了传统三自由度球面并联机构拟合踝关节运动交互性能差的问题，五自由度广义球面并联机构拟合精度更高，但是需要的电机数量较多，相对来说成本较高，尤其适用于精度要求较高的场合，如应用于高端市场。

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2为本实用新型一种实施例的1、5号支链局部结构示意图。

图3为本实用新型一种实施例的2、3、4号支链局部结构示意图。

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、一号支链四号连杆；15、一号支链一号轴；16、一号支链二号轴；17、一号支链三号轴；18、一号支链四号轴；19、一号支链五号轴；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、二号支链四号连杆；25、二号支链一号轴；26、二号支链二号轴；27、二号支链三号轴；28、二号支链四号轴；29、二号支链五号轴；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、四号支链；41、四号支链一号连杆；42、四号支链二号连杆；43、四号支链三号连杆；44、四号支链四号连杆；45、四号支链一号轴；46、四号支链二号轴；47、四号支链三号轴；48、四号支链四号轴；49、四号支链五号轴；5、五号支链；51、五号支链一号连杆；52、五号支链二号连杆；53、五号支链三号连杆；54、五号支链四号连杆；55、五号支链一号轴；56、五号支链二号轴；57、五号支链三号轴；58、五号支链四号轴；59、五号支链五号轴；6、静平台；7、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。

本实用新型五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，且两个球心之间的距离为一可调节定值，并联机构整体视为动平台绕动球心做自由度为3的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动，故广义球面并联机构具有5个自由度，可充分适应、匹配踝关节自由度；5自由度广义球面并联机构支链具有两种类型，分别为AABA型支链与ABAA型支链，其中AABA型支链主要控制动球心绕静球心的球面运动，ABAA型支链主要控制动平台绕动球心的球面运动；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”，广义球面并联机构要求同一广义球面并联机构中的所有B型连杆的“双心距”必须相等，且运动过程成所有B型连杆的“双心线段”始终完全重合，即所有B杆定球心重合组成广义球面并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成广义球面并联机构的动球心。

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。

将五自由度广义球面并联机构应用于踝关节康复机器人中，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球面并联机构的“双心距”，实现在运动拟合过程中机构定球心始终与距骨与跟骨的平均相对转动球心重合，机构动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球面并联机构(灵巧眼机构)，广义球面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。

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

本实施例提供了一种用于踝关节康复训练的五自由度广义球面并联机构构型设计方案，包括有静平台6、动平台7、三条ABAA型支链(一号支链1、二号支链2、三号支链3)和两条AABA型支链(四号支链4、五号支链5)；静平台6与动平台7均为具有五个转动副的球面连杆，即所具有的五个侧端通孔的轴心线空间汇交于一点(动平台的五个侧端通孔的轴心线汇交点为所有B杆动球心交汇点，即广义球面并联机构的动球心；静平台的五个侧端通孔的轴心线汇交点为所有B杆定球心交汇点，即广义球面并联机构的定球心)；一号支链1为ABAA型支链，其中，一号支链四号连杆14为A型连杆，一号支链三号连杆13为B型连杆，一号支链二号连杆12为A型连杆，一号支链一号连杆11为A型连杆；动平台7与的一号支链孔与一号支链四号连杆14的上端孔之间通过一号支链五号轴19连接配合形成转动副；一号支链四号连杆14的下端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18连接配合形成转动副；一号支链三号连杆13的下端孔与一号支链二号连杆12的上端孔之间通过一号支链三号轴17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的上端孔之间通过一号支链二号轴16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6的一号支链孔通过一号支链一号轴15连接配合形成转动副；

二号支链2为ABAA型支链，其中，二号支链四号连杆24为A型连杆，二号支链三号连杆23为B型连杆，二号支链二号连杆22为A型连杆，二号支链一号连杆21为A型连杆；动平台7与的二号支链孔与二号支链四号连杆24的上端孔之间通过二号支链五号轴29连接配合形成转动副；二号支链四号连杆24的下端孔与二号支链三号连杆23的上端孔之间通过二号支链四号轴28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的上端孔之间通过二号支链三号轴27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的上端孔之间通过二号支链二号轴26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6的二号支链孔通过二号支链一号轴25连接配合形成转动副；

三号支链3为ABAA型支链，其中，三号支链四号连杆34为A型连杆，三号支链三号连杆33为B型连杆，三号支链二号连杆32为A型连杆，三号支链一号连杆31为A型连杆；动平台7的三号支链孔与三号支链四号连杆34的上端孔之间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的上端孔之间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的上端孔之间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的上端孔之间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6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；

四号支链4为AABA型支链，其中，四号支链四号连杆44为A型连杆，四号支链三号连杆43为A型连杆，四号支链二号连杆42为B型连杆，四号支链一号连杆41为A型连杆；动平台7的四号支链孔与四号支链四号连杆44的上端孔之间通过四号支链五号轴49连接配合形成转动副；四号支链四号连杆44的下端孔与四号支链三号连杆43的上端孔之间通过四号支链四号轴48连接配合形成转动副；四号支链三号连杆43的下端孔与四号支链二号连杆42的上端孔之间通过四号支链三号轴47连接配合形成转动副；四号支链二号连杆42的下端孔与四号支链一号连杆41的上端孔之间通过四号支链二号轴46连接配合形成转动副；四号支链一号连杆41的下端孔与静平台6的四号支链孔通过四号支链一号轴45连接配合形成转动副；

五号支链5为AABA型支链，其中，五号支链四号连杆54为A型连杆，五号支链三号连杆53为A型连杆，五号支链二号连杆52为B型连杆，五号支链一号连杆51为A型连杆；动平台7的五号支链孔与五号支链四号连杆54的上端孔之间通过五号支链五号轴59连接配合形成转动副；五号支链四号连杆54的下端孔与五号支链三号连杆53的上端孔之间通过五号支链四号轴58连接配合形成转动副；五号支链三号连杆53的下端孔与五号支链二号连杆52的上端孔之间通过五号支链三号轴57连接配合形成转动副；五号支链二号连杆52的下端孔与五号支链一号连杆51的上端孔之间通过五号支链二号轴56连接配合形成转动副；五号支链一号连杆51的下端孔与静平台6的五号支链孔通过五号支链一号轴55连接配合形成转动副；

一号支链一号轴15、一号支链二号轴16、一号支链三号轴17、二号支链一号轴25、二号支链二号轴26、二号支链三号轴27、三号支链一号轴35、三号支链二号轴36、三号支链三号轴37、四号支链一号轴45、四号支链二号轴46、五号支链一号轴55、五号支链二号轴56的轴心线空间汇交于一点，此点即为广义球面并联机构的定球心；五自由度一号支链四号轴18、一号支链五号轴19、二号支链四号轴28、二号支链五号轴29、三号支链四号轴38、三号支链五号轴39、四号支链三号轴47、四号支链四号轴48、四号支链五号轴49、五号支链三号轴57、五号支链四号轴58、五号支链五号轴59的轴线空间汇交于一点，此点即为广义球面并联机构的动球心。

本实施例中三条ABAA型支链相邻，两条AABA型支链相邻，ABAA型指由动平台向静平台的方向依次为A、B、A、A型连杆，AABA型指由动平台向静平台的方向依次为A、A、B、A型连杆。

五自由度广义球面并联机构的工作原理如下：

以站立式踝关节康健机器人为例，说明5自由度广义球面并联机构的运动特性。五个伺服电机分别带动一号支链一号连杆11、二号支链一号连杆21、三号支链一号连杆31、四号支链一号连杆41与五号支链一号连杆51相对于静平台6转动，即控制该机器人的五个角度输入；四号支链一号连杆41与五号支链一号连杆51分别带动四号支链二号连杆42与五号支链二号连杆52，由于静平台6、四号支链一号连杆41与五号支链一号连杆51均为A型球面连杆，故限制B型连杆四号支链二号连杆42与五号支链二号连杆52的“B杆定球心”重合；由于广义球面并联机构的所有B型连杆的“双心距”相等，且四号支链三号连杆43、四号支链四号连杆44、动平台7、五号支链四号连杆54、五号支链三号连杆53顺次连接且均为A性球面连杆，故限制了B型连杆四号支链二号连杆42与五号支链二号连杆52的“B杆动球心”重合，此时四号支链二号连杆42与五号支链二号连杆52之间的运动即为绕重合后的“双心线段”的转动；此时静平台6、四号支链一号连杆41、四号支链二号连杆42、五号支链一号连杆51与五号支链二号连杆52之间组成了球面五杆机构，球面五杆机构自由度为2，即四号支链一号连杆41与五号支链一号连杆51的输入角度决定了5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；一号支链一号连杆11、一号支链二号连杆12、二号支链一号连杆21、二号支链二号连杆22、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型连杆一号支链三号连杆13、二号支链三号连杆23、三号支链三号连杆33的“B杆定球心”均与四号支链二号连杆42、五号支链二号连杆52的“B杆定球心”重合；一号支链四号连杆14、二号支链四号连杆24、三号支链四号连杆34与动平台7均为A型球面连杆，其限制了B型连杆一号支链三号连杆13、二号支链三号连杆23、三号支链三号连杆33的“B杆动球心”与四号支链二号连杆42、五号支链二号连杆52的“B杆动球心”重合，故一号支链三号连杆13、二号支链三号连杆23、三号支链三号连杆33的空间运动为绕“双心线段”的转动；若四号支链一号连杆41、五号支链一号连杆51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6、一号支链一号连杆11、一号支链二号连杆12、一号支链三号连杆13组成球面四杆机构，静平台6、二号支链一号连杆21、二号支链二号连杆22、二号支链三号连杆23组成球面四杆机构，静平台6、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，上述每一组四杆机构均具有1个自由度，共有3个自由度；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、分别通过一号支链二号连杆12、二号支链二号连杆22、三号支链二号连杆32带动一号支链三号连杆13、二号支链三号连杆23、三号支链三号连杆33绕重合的“双心线段”转动；一号支链三号连杆13、二号支链三号连杆23、三号支链三号连杆33通过一号支链四号连杆14、二号支链四号连杆24、三号支链四号连杆34带动动平台7绕“动球心”转动，此时四号支链三号连杆43、四号支链四号连杆44、五号支链三号连杆53、五号支链四号连杆54仅参与限制广义球面并联机构的“B杆动球心”重合，不影响动平台7绕“动球心“的球面运动；

综上四号支链一号连杆41、五号支链一号连杆51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的胫骨与距骨之间的相对运动；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的转角输入控制动平台7绕“动球心”的球面运动，具有3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的距骨与跟骨之间的相对运动；综上机构整体具有5个自由度，故广义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。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种五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，且两个球心之间的距离为一可调节定值，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，B型连杆为双球心球面连杆，同一并联机构中的所有B型连杆的两个球心之间的距离相等，所有B杆定球心重合组成广义球面并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成广义球面并联机构的动球心；其特征在于，

动平台绕动球心做自由度为3的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动；五自由度广义球面并联机构的支链具有两种类型，分别为AABA型支链与ABAA型支链；AABA型支链有两条，ABAA型支链有三条。

2.根据权利要求1所述的并联机构，其特征在于，三条ABAA型支链相邻，两条AABA型支链相邻。

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