WO2020200231A1

WO2020200231A1 - 解耦踝关节康复机器人及完全解耦并联机构

Info

Publication number: WO2020200231A1
Application number: PCT/CN2020/082737
Authority: WO
Inventors: 曾达幸; 马宏伟; 王帅; 孙振忠; 卢文娟
Original assignee: 东莞理工学院
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2020-10-08
Also published as: JP2021515680A; JP6921454B2

Abstract

一种三转一移解耦踝关节康复机器人，机身由对称的混联机构组成，其包含基座（6）、动平台（4）、脚踏板（5）以及连接基座和动平台的三个分支（1、2、3），三个分支中第一个分支（1）为PRR分支，第二个分支（2）和第三个分支（3）均为CPRR分支且关于基座底部对称分布，脚踏板与动平台串联连接形成局部分支，机构整体上为3R1T机构；另一方面，一种对称两转一移完全解耦并联机构，其包括基座（104）、动平台（105）以及三个分支（101、102、103），第一分支（101）和第二分支（102）均为PRR分支，第三分支（103）为CPU分支，三个分支通过运动副间实现完全解耦，上述机构在运动学上为解耦机构，通过控制不同的分支可独立的实现踝关节运动；机构具有对称性且分支运动副少便于提高控制的精确性，机构结构紧凑、稳定性好。

Description

解耦踝关节康复机器人及完全解耦并联机构

技术领域

本发明属于踝关节康复领域，特别涉及一种能实现三转一移的解耦踝关节康复机器人以及对称两转一移的完全解耦并联机构。

背景技术

踝关节损伤是一种常见的骨关节损伤，人体的行走步态以及平衡性的微型调节枢纽就在于踝关节，踝关节的康复训练对患者来说极具意义。很多中风和偏瘫的患者也急需加强对踝关节的训练，为了减轻医护人员工作负担、提高训练效果，踝关节康复训练采用训练装置进行。现有技术中，训练装置大多采用串联机构实现工作台的运动，但往往结构强度不佳，运动自由度少；而采用并联机构的训练装置，强度得到了提高，但结构复杂，体积较大，难以封装。

经过对现有技术的检索发现，公开号为CN201620740097.4的中国专利公开了一种踝关节康复机器人，该机构基座和设置于所述基座上方的工作台，其中，所述工作台和所述基座之间并联设置有三个结构相同的连杆机构，分别为第一连杆机构、第二连杆机构和第三连杆机构，通过所述连杆机构的运动所述工作台可实现前后翻转、左右翻转和在水平面内转动。上述机器人，工作台可对踝关节进行背屈、跖屈、内翻、外翻、内旋、外旋训练，但是该机构在运动学上具有耦合性不便控制；公号为CN201510472613.X的中国专利公开了一种并联踝关节康复机器人及其控制方法，该机构包括基座，所述基座上插装有支撑架，该支撑架上活动卡装有调节机构，该调节机构包括主杆、前臂杆和腿部支撑杆，主杆前端与前臂杆装接，腿部支撑杆与主杆安装连接，前臂杆上装接有连杆，主杆与支撑架活动卡装；还包括调节机构和运动机构，采用气动肌肉或直线电机作为驱动器，驱动机构前端与调节机构中的连杆装接，驱动机构末端与运动机构装接，运动机构与主杆后端活动卡装。该发明公开的机器人可调节运动范围，以能够适应不同患者的使用，能够覆盖踝关节三个自由度的运动训练，但是不便于控制。

另一方面，并联机构具有高速、高刚度、承载能力大、动态响应好等特点,以并联机构作为主机构的并/混联构型装备已获得广泛应用。近10年来,并联机构的应用逐渐拓展至很多不需要空间六个自由度的操作(如对准、姿态定位、轴对称的机加工),此时使用合适的少自由度并联机构可以降低加工制造、标定、控制和维护等方面成本,少自由度并联机构已成为国际并联机构学术界和工业界关注的热点，前沿发达国家尤其注重少自由度并联机构在航空、航天、汽车食品医药等行业中的自主创新、系统设计和工程应用。解耦并联机构可以实现运动解耦，并且机构解耦程度越高其运动学、动力学分析越简单易解，可极大简化机器人的控制与轨迹规划问题。

经过对现有技术的检索发现，公开号为CN201510876263.3的中国专利公开了一种具有两转一移三自由度的对称解耦并联机构，该机构包括由平台、底座以及四个分别连接平台和底座的带有电机和丝杆机构的支撑柱，其中：四个支撑柱的末端与底座固定连接，支撑柱的丝杆机构与平台通过球铰链机构相连；球铰链机构与平台的固定点位置相互呈中心对称。该发明采用四个电机驱动，机构结构简单，能够保证加工精度，但是对控制的要求比较高，否则容易产生过约束而影响最终的运动输出，工作空间狭小。公开号为CN201520767012.7的中国专利公开了一种具有两转动一移动三自由度运动解耦并联机构，该机构该具有两转动一移动三自由度运动解耦并联机构包括动平台、静平台和连接在动、静平台之间的两条分支运动链，两条分支运动链中的一条为单开链，另一条为混合链，其中混合链由闭环结构串联一个转动副构成，闭环结构是由第一、第二子分支构成，单开链的第一圆柱副轴线平行于混合链的第六转动副轴线，并且二者均与混合链的第四移动副的中心线垂直，主动关节的输入运动与动平台的输出运动之间呈一对一的控制关系，具有优良的运动学解耦性。但是其中一条分支所具运动副数过多不便于控制，很难到达预期的效果。

发明内容

为实现踝关节康复所需要的三维转动自由度即踝关节运动中背屈/趾屈、内翻/外翻、内旋/外旋以及的牵引的需求，本发明设计了一种机构可以实现3R1T的串并混联机构，该机构结构简单对称分布，且在运动学上解耦，控制方便，还在相应的重要部位添加有智能监测感应装置，为使得踝关节康复机器人既能满足一般的康复需求，还能在成本和强度上得到优化；另一方面，为克服现有机构的弊端，解决解耦机构分支运动副多不便于控制的问题，提出结构功能各异的新型机构是机构学发展的基本要求。本发明的目的在于提供一种结构简单对称、易于控制、能够实现两个转动和一个移动，共三个自由度且完全解耦的2R1T对称解耦并联机器人机构。

本发明是这样实现的：

一种三转一移解耦踝关节康复机器人，其包括机身、驱动机构和监测系统，所述机身为对称的混联机构，所述混联机构包含基座、动平台、将所述基座和所述动平台相连接的三个分支以及与所述动平台相串联的脚踏板；所述基座的底部设有两条关于Y轴对称分布且与Y 轴方向一致的滑动导轨，所述基座的底部设有两个关于Y轴对称的支架；所述动平台为框架结构，包括依次进行首尾连接的第一支架、第二支架、第三支架和第四支架；所述混联机构中的并联部分为2-CPRR-PRR并联机构，所述并联机构为解耦的两转动一移动并联机构，连接所述基座和所述动平台的三个分支中第一分支为PRR分支，第二分支和第三分支均为CPRR分支且初始位姿关于YOZ平面对称分布；所述第一分支包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的第一端与所述滑动导轨通过移动副连接，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端通过轴线垂直于所述基座底部的转动副连接，所述第二连杆的第二端与所述动平台的第一支架通过轴线平行于动平台x轴的转动副连接；所述第二分支包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第一连杆的第一端与所述基座的第二支架通过轴线垂直于基座的圆柱副连接，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端通过平行于所述基座底部的移动副连接，所述第二连杆的第二端通过轴线垂直于基座底部的转动副与所述第三连杆的第一端连接，所述第三连杆的第二端与所述动平台的第二支架通过轴线平行于动平台x轴的转动副连接；所述第三分支包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第一连杆的第一端与所述基座的第三支架通过轴线垂直于基座的圆柱副连接，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端通过平行于基座底部的移动副连接，所述第二连杆的第二端通过轴线垂直于基座底部的转动副与所述第三连杆的第一端连接，所述第三连杆的第二端与所述动平台的第三支架通过轴线平行于动平台x轴的转动副连接；所述混联机构的串联部分包括所述动平台和所述脚踏板，所述脚踏板与脚踏板连杆的第一端固连在一起，所述脚踏板连杆的第二端与所述动平台的第四支架通过轴线经过动平台上y轴的转动副连接在一起。

优选地，所述驱动机构包括四个驱动电机，分别实现康复机器人的三个转动自由度和一个移动自由度，所述第一分支的第一移动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第一移动自由度的输出参数，所述第二分支的第一圆柱副中所包含的P副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第一转动自由度的输出参数，所述第三分支的第一圆柱副的R副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第二转动自由度的输出参数，所述脚踏板上固连连杆与所述动平台第四支架连接的转动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第三转动自由度的输出参数。

优选地，所述监测系统包括角位移传感器、直线位移传感器、限位开关和力传感器，角位移传感器安装在驱动副为转动副的位置处，直线位移传感器安装在驱动副为移动副的位置处，限位开关分布在各驱动副极限位置处，力传感器安装在所述脚踏板上，在所述脚踏板上设有转接组件，能安装加热装置或按摩装置，以丰富康复机器人的功能。

优选地，所述踝关节康复机器人在运动学上为解耦机构，通过控制不同的分支可独立的实现三转动和一移动，对应实现踝关节运动中背屈/趾屈、内翻/外翻、内旋/外旋以及牵引运动。

优选地，机器人的三个转动中心重合于一点，连接脚踏板的连杆长度可调，通过调整连杆长度实现不同脚踝高度的人在康复训练过程中踝关节中心和机器人实际转动中心重合，以达到更好的康复效果。

另一方面，本发明还提供一种对称两转一移完全解耦并联机构，其包括基座、动平台、以及连接所述基座和所述动平台的第一分支、第二分支和第三分支。所述基座包括两个平行的滑轨和一个支架，所述动平台具有正三角形状，所述动平台的三个顶点处分别设有第一支架、第二支架和第三支架，所述第一分支和所述第二分支均为PRR分支，包括连杆、移动副P副和转动副R副；所述第三分支为CPU分支，包括连杆、圆柱副C副、移动副P副和虎克铰U副，所述第一分支、第二分支和第三分支通过运动副间实现完全解耦。所述第一分支和所述第二分支结构相同，两个分支都包括第一连杆和第二连杆，所述第一分支的第一连杆的第一端与所述基座的第一滑轨连接形成P ₁副，所述第二分支的第一连杆的第一端与所述基座的第二滑轨连接形成P ₂副，所述第一分支中的P ₁副的移动方向与所述第二分支中的P ₂副的移动方向相同，均沿着所述基座上定坐标系中的Y轴方向，所述第一分支的第一连杆的第二端与所述第一分支的第二连杆的第一端连接形成R ₁副，所述R ₁副轴线方向与所述基座上定坐标系中的Z轴方向相同并经过动平台o ₁点，所述第二分支的第一连杆的第二端与所述第二分支的第二连杆的第一端连接形成R ₂副，所述第二分支中的R ₂副与所述第一分支中的R ₁副共线，所述第一分支的第二连杆的第二端与所述动平台的第一支架连接形成R ₃副，所述第二分支的第二连杆的第二端与所述动平台的第二支架连接形成R ₄副，所述第二分支中的R ₄副的轴线与所述第一分支中的R ₃副的轴线始终共线，并始终经过动平台上的o ₁点。所述第三分支包括第三连杆和第四连杆，所述第三连杆的第一端与所述基座的支架通过C副连接，所述圆柱副的轴线始终垂直于所述基座平面，所述第三连杆的第二端与所述第四连杆的第一端通过P ₃副连接，所述P ₃副的方向始终平行于所述基座平面，所述第四连杆的第二端通过U副与所述动平台的第三支架连接，所述第三分支中的U副由两个转动副组成具有两个方向互相垂直的转动轴线，所述U副的第一个转动轴线始终垂直于所述基座的平面，所述U副的第二个转动轴线平行于所述基座平台，且始终与所述第一分支中的R ₃副轴线和所述第二分支中的R ₄副轴线平行。

优选地，所述第一分支和所述第二分支对称分布于所述动平台两侧，所述第一分支的第一连杆和所述第二分支的第一连杆为一个整体，所述整体的宽度和所述基座上两个滑轨之间的距离相等，所述第一分支的第二连杆和所述第二分支的第二连杆为L形，所述动平台的边长大于所述基座上两个滑轨之间的距离。

优选地，所述第一分支的移动副1处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第一移动自由度的输出参数；所述第二分支的转动副2处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第一转动自由度的输出参数；所述第三分支的圆柱副C副中所包含的P副处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第二转动自由度的输出参数。

优选地，通过分别设在所述三个分支上的三个驱动电机，所述并联机构的动平台可以实现以动平台o ₁点为中心绕动平台上坐标系中x轴和z轴的转动以及沿定平台上定坐标系中Y轴方向的移动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)机器人机构分支所包含运动副数目少运动副简单，便于控制；

(2)机器人机构解耦，每一个输入量都对应唯一确定的运动；

(3)机器人机构分支对称分布，有两个分支结构一样可节约制作成本和时间；

(4)机构安装方便，踝关节可活动空间大，活动度多，能满足所有踝关节运动要求；

(5)机器人三维转动中心可通过调节连杆长度与不同人的实际踝关节转动中心重合；

(6)机器人的三维转动中心在动平台固定位置，优选的，实际操作时脚的重心一直落在第一分支两滑动轨道之间，可保运动稳定性和机器人刚度；

(7)机器人不仅能适用于医疗康复，在脚踏板上安装其他辅助设施可实现更多功能需求，还能用于居家保健。

(8)本发明的对称两转一移完全解耦并联机构在保留了并联机构强度高、结构紧凑、稳定性好等优点的基础上，实现了空间x和z轴方向两转动和沿Y轴的平行于基座的一移动三自由度运动学完全解耦，每一个输入量都对应唯一确定的运动；机构具有对称性，有两个分支结构一样可节约制作成本和时间，且分支所包含运动副数目少，运动副简单，便于提高控制的精确性，减少控制的复杂性，对安装精度要求相比于其他并联机构也较低，机构安装方便，活动空间大，克服了传统对称并联机构控制复杂，强耦合性等缺点。

附图说明

图1为发明的康复机器人的所有运动副位置的示意图；

图2为本发明的康复机器人的分支1构件的示意图；

图3为本发明的康复机器人的分支2、3构件的示意图；

图4为本发明的康复机器人的串联部分构件的示意图；

图5为本发明的康复机器人的监测传感器的分布的示意图；

图6为本发明第二实施例的对称两转一移完全解耦并联机构整体的结构示意图；以及

图7为本发明第二实施例的对称两转一移完全解耦并联机构的第三分支的结构示意图。

附图标记：

第一实施例中：P11-分支1第一移动副、R12-分支1第二转动副、R13-分支1第三转动副、C21-分支2第一圆柱副、P22-分支2第二移动副、R23-分支2第三转动副、R24-分支2第四转动副、C31-分支3第一圆柱副、P32-分支3第二移动副、R33-分支3第三转动副、R34-分支3第四转动副、R51-串联转动副；

1-第一分支、11-第一连杆、12-第二连杆；

2-第二分支、21-第一连杆、22-第二连杆、23-第三连杆、3-第三分支、31-第一连杆、32-第二连杆、33-第三连杆；6-基座、61-滑动导轨、62-第二支架、63-第三支架；

4-动平台、41-第一支架、42-第二支架、43-第三支架、44-第四支架、5-脚踏板、51-脚踏板连杆；

第二实施例中：第一分支101，第一连杆111，第二连杆112，第二分支102，第一连杆121，第二连杆122，第三分支103，第一连杆131，第二连杆132，基座104，第一滑轨141，第二滑轨142，支架143，动平台105，第一支架151，第二支架152，第三支架153，第一移动副P ₁，第二移动副P ₂，第三移动副P ₃，圆柱副C，第一转动副R ₁，第二转动副R ₂，第三转动副R ₃，第四转动副R ₄，虎克铰副U。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

第一实施例

在图1所示机器人整体结构示意图中，机身由对称的混联机构组成，包含基座6、动平台4、连接基座6和动平台4的三个分支1、2、3以及串联在动平台4上的脚踏板5；混联机构中并联部分为2-CPRR-PRR并联机构，其中，C表示圆柱副、P表示移动副、R表示一个转动副，且圆柱副为一个移动副和一个转动副的组合，2-CPRR表示含有两组由圆柱副、移动副、转动副和转动副依次按顺序连接的分支，PRR表示一个由移动副、转动副和转动副按顺序连接组成的分支，三个分支组合为一个并联机构，连接基座6和动平台4的三个分支中第一个分支1为PRR分支，第二个分支和第三个分支2、3均为CPRR分支且对称分布，可保证机构运动的两向同性且安装便利；基座6底部布置有两条沿Y轴方向的滑动导轨61并于Y轴两侧对称分布，增加机构运行的稳定性，基座6底部关于Y轴两边对称分别设有两个支架62和63，分别用于与分支二和分支三连接；动平台4为一框架，动平台的第一、二、三、四支架均布置在框架上，见图4中第一支架41、第二支架42、第三支架43、第四支架44，分别与第一分支1、第二分支2、第三分支3和脚踏板连杆51相连；

如图2所示，三个分支中第一个分支1为PRR分支，第一个分支1中第一连杆11一端与基座6的滑动导轨61通过移动副P11连接，另一端与第一个分支1的第二连杆12的一端通过轴线垂直于基座底部的转动副R12连接，第一分支1的第二连杆12的一端同时与在动平台两端对称分布的动平台4第一支架41连接形成转动副，该转动副R13轴线与第一分支1的第二个转动副R12轴线交于三维转动中心o ₁；

如图3所示，三个分支中第二个分支2和第三个分支3均为CPRR分支，优选的，两个分支初始位置关于YOZ平面对称分布，优选的，第二个分支2的第一连杆21一端与基座6的第二支架62通过轴线垂直于基座6的圆柱副C21连接，另一端与第二分支2的第二连杆22的一端通过平行于基座6底部的移动副P22连接，第二分支2的第二连杆22的另一端通过轴线垂直于基座6底部的转动副R23与第二分支2的第三连杆23的一端连接，最后，第二分支2的第三连杆23的另一端与动平台4的第二支架42通过轴线平行于x轴的转动副R24连接；

第三个分支3的第一连杆31一端与基座的第三支架63通过轴线垂直于基座6的圆柱副C31副连接，另一端与第三分支3的第二连杆32的一端通过平行于基座6底部的移动副P32连接，第三分支3的第二连杆32的另一端通过轴线垂直于基座6底部的转动副R33与第三个分支3的第三连杆32的一端连接，最后，第三个分支3的第三连杆33的另一端与动平台4的第三支架43通过轴线平行于x轴的转动副R34连接；优选的，第二分支2和第三分支3结构一样且对称分布在动平台4两侧，可保证动平台4在x方向上性能的统一性；

如图4所示，混联机构的串联部分包括动平台4和脚踏板5，脚踏板5与其前后两端的脚踏板连杆51的一端固连在一起，脚踏板连杆51的另一端与动平台4的第四支架44通过轴线经过y轴的转动副R51连接在一起，优选的，在动平台4中串联一个可绕y轴方向转动的脚踏板5使得以脚踏板为末端执行器的踝关节康复机器人整体上为3R1T机构，优选的，机器人三个转动轴轴线交于一点O1，通过调节连接脚踏板5与动平台4的脚踏板连杆51的长度，可调节脚踏板5与转动中心O1的距离以适应踝关节高度不同的人，使得实际踝关节中心与康复机器人实际转动中心重合以达到更好的运动训练效果；优选的，脚踏板5在动平台 4框架里面且处于框架下方；优选的，在运动过程中保证脚不会被动平台4框架及其他构件所干涉，动平台4框架的大小能适合90％以上的人的脚的尺寸，针对不同大小的脚所对应的安全保护设施也能进行相应的调整到最合适的状态，优选的，脚踏板5上设有转接组件，能安装相应的固定保护设施使得机构更加可靠和舒适；也能安装加热装置或按摩装置，以丰富康复机器人的功能；此外，根据不同人群需要，可在脚踏板上添加其他相应结构以丰富整个机器人的功能。

踝关节康复机器人在运动学上为解耦机构,所谓解耦是指输入与输出之间存在一一对应的关系，踝关节康复机器人为一部分解耦机构并非完全解耦机构，但是仍然可以称之为解耦机构，通过控制不同的分支可分别的实现三转动和一移动，对应实现踝关节运动中背屈/趾屈、内翻/外翻、内旋/外旋、牵引运动；优选的，第一分支1的第一移动副P11处设有驱动电机1，其运动量表示该机构第一移动自由度的输出参数；实现踝关节康复的牵引运动；第二分支2的第一圆柱副C21中所包含的P副处设有驱动电机2，其运动量表示该机构第一转动自由度的输出参数，实现踝关节康复的背屈/趾屈运动；第三分支3的第一圆柱副C31所含的R副处设有驱动电机3，其运动量表示该机构第二转动自由度的输出参数，实现踝关节康复的内旋/外旋运动；将脚踏板5上固连脚踏板连杆51与动平台4第四支架44连接的转动副R51处设有驱动电机4，其运动量表示该机构第三转动自由度的输出参数，实现踝关节康复的内翻/外翻运动；

第一分支1的第一连杆11的一端同时与在基座6上对称分布的两个滑动导轨61连接形成移动副，优选的，驱动该移动副的只有一个驱动电机1，可通过电机的正反转实现整个机构沿Y轴正负两个方向的移动，结构提高了并联机构的刚度，还增强了运动稳定性。第一分支1的第二连杆12的一端同时与在动平台4两端对称分布的动平台第一支架41连接形成转动副，该转动副轴线与第一分支1的第二个转动副R12轴线交于三维转动中心，机构的第一分支1的第一个移动副P11可不采取滑轨的形式，只要能实现分支1的Y向移动，驱动副可采用轮式或者履带式，由此可减小机器人整体结构尺寸易于封装。

第二分支2中的第一圆柱副中的P副作为驱动副时，圆柱副中的R副不受该驱动电机2的影响作为被动运动副，优选的，第三分支3中的第一圆柱副中的R副作为驱动副时，圆柱副中的P副不受该驱动电机3的影响作为被动运动副，优选的，由于第一和第二个分支一样且关于YZ平面对称分布，驱动电机2和驱动电机3的位置可以在第二、三分支间进行互换，但是必须保证一个分支只有一个驱动电机且驱动的运动副分别为圆柱副中的P副和C副；将脚踏板上固结的连杆与动平台第四支架连接的转动副处设有的驱动电机4优先布置在动平台4分支支架较小的一端。

机器人监测系统主要包括角位移传感器、直线位移传感器、限位开关和力传感器，如图5所示，监测机器人Z向转动输出量的传感器为角位移传感器J1，放置在分支一的转动副R12处，监测机器人X向转动输出量的传感器为角位移传感器J2，放置在分支一的转动副R13处，监测机器人Y向转动输出量的传感器为角位移传感器J3，放置在分支一的转动副R13处；另外，在第三分支3的驱动副C副中的R副处设置角位移传感器J4，实现对驱动副的实时信息反馈，监测机器人Y向移动输出量的传感器为直线位移传感器Z1，放置在基座6的后端；在基座6的第二支架62的上端设置有限位开关X1，在基座6的第二支架62的上端设置有限位开关X2；在脚踏板5的前端放置有力传感器L1用于监测趾端受力，在脚踏板5的中端放置有力传感器L2用于监测Y向牵引受力，在脚踏板5的后端放置有力传感器L3用于监测脚跟端受力；通过这些传感器的布置，既能保证机器人的信息智能化，还加强了机器人的整体安全稳定性。在成本可控的基础上，可采用机电采集系统以更加直观的了解训练者的生理反馈。

本发明第一实施例的具体使用过程如下：

在使用机器人进行康复训练之前，根据不同人踝关节高度对脚踏板连杆长度进行调整以达到人体实际踝关节转动中心和机器人实际转动中心即动平台o ₁点重合，为了保证整个运动过程中脚部与机器人的配合程度，在脚踏板上安装固定带，在使用时将脚放在固定带内以保证脚的位置相对脚踏板稳定配合。

在使用过程中，通过驱动电机1并配合驱动电机3，可实现独立的踝关节牵引运动或者牵引过程中伴随这内外旋运动；通过驱动电机2，可独立的实现踝关节的背趾屈运动；通过驱动电机3，可独立的实现踝关节的内外旋运动；通过驱动电机4，可独立地实现踝关节的内外翻运动；当给定所需的多种关节运动速度及范围，可通过同时控制多个相应的电机以实现相应的运动。与此同时，通过采集的各种运动反馈信号对机构的运动进行实时调整以达到最好的康复训练效果。如需进行主动训练，将各个驱动电机解除锁死使得电机均为随动件即可。

第二实施例

如图6所示，基座104固定于空间直角坐标系O ₀-X ₀Y ₀Z ₀中，其中基座104上的定坐标系O-XYZ中，XY平面垂直于Z ₀轴，基座104的X和Y轴分别和空间直角坐标系中的X ₀轴和Y ₀轴方向平行；动平台105上的动坐标系o ₁-xyz中，o ₁点位于R ₃副和R ₄副轴线的连线上，z轴垂直于动平台105，y轴垂直于R ₃副和R ₄副轴线的连线，x轴平行于R ₃副和R ₄副轴线的连线。

本发明对称两转一移完全解耦并联机构，如图1所示，包括第一分支101、第二分支102、第三分支103、基座104和动平台105，第一分支101、第二分支102和第三分支103分别连接基座104和动平台105。基座104的外形为矩形，包括第一滑轨141、第二滑轨142和支架143，第一滑轨141和第二滑轨142对称分布于支架143的两侧，支架143位于基座104的中心线上，第一滑轨141、第二滑轨142关于YZ平面对称，支架143位于YZ平面内且垂直于基座104。动平台105的外形为正三角形，正三角形的各个顶点各有一个支架，分别为第一支架151、第二支架152和第三支架153。

第一分支101和第二分支102均为PRR分支，由连杆、P副和R副组成，第三分支103为CPU分支，由连杆、C副、P副和U副组成，第一分支101、第二分支102和第三分支103通过运动副间实现完全解耦。

第一分支101中，第一连杆111的第一端通过P副与基座104的第一滑轨141连接，第一连杆111的第二端与第二连杆112的一端通过R副连接，第二连杆112的另一端与动平台105的第一支架151通过R副连接。

第二分支102中，第一连杆121的一端通过P副与基座104的第二滑轨142连接，第一连杆121的另一端与第二连杆122的一端通过R副连接，第二连杆122的另一端与动平台105的第二支架152通过R副连接。

如图7所示，第三分支103中，第一连杆131的一端与基座104的支架143通过C副连接，第一连杆131的另一端与第二连杆132的一端通过P副连接，第二连杆132的另一端通过U副与动平台105的第三支架153连接。

第一分支101中P ₁副的移动方向与第二分支102中P ₂副的移动方向相同，均沿着Y轴方向且平行于基座104平面；第一分支101的R ₁副轴线垂直于基座104平面并经过动平台105的o ₁点，第一分支101的R ₃副轴线平行于基座104平面并沿X轴方向；第二分支102的R ₂副与第一分支101的R ₁副共线，也经过动平台105的o ₁点，第二分支102的R ₄副轴线与第一分支101的R ₃副轴线始终共线。

第三分支103中的C副，其轴线垂直于基座104平面，第三分支103的P ₃副方向始终平行于基座104平面；第三分支103的U副由两个转动轴线组成，一个转动轴线始终垂直于基座104平面，另一个转动轴线平行于基座104平台，且始终于第一分支101的R ₃副轴线和第二分支102的R ₄副轴线平行。

第一分支101和第二分支102对称分布于动平台105两侧，第一分支101的第一连杆111和第二分支102的第一连杆121为一个整体，该整体结构和基座104上第一滑轨141和第二滑轨142之间的距离相等，第一分支101的第二连杆112和第二分支102的第二连杆122为L形，第一分支101的第二连杆112和第二分支102的第二连杆122的两个长边之和等于动平台105的边长，动平台105的边长大于基座104上第一滑轨141和第二滑轨142之间的距离。

第一分支101的P ₁副处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第一移动自由度的输出参数；第二分支102的R ₂副处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第一转动自由度的输出参数；第三分支103的C副中所包含的P副处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第二转动自由度的输出参数。

通过分别设在第一分支101、第二分支102和第三分支103的三个驱动电机，并联机构的动平台105可以实现以o ₁点为中心绕x ₀轴和z ₀轴轴线的两自由度转动和沿Y轴方向的移动。且此三自由度运动是完全解耦的，即动平台105的转动特征仅与R ₂副和U副的一个转动轴线有关并一一对应，由于第三分支103的U副由两个转动轴线组成，其中，一个转动轴线平行于基座104平台，且始终于第一分支101的R ₃副轴线和第二分支102的R ₄副轴线平行，因此，也可以说，动平台105的转动特征仅与R ₂副和R ₃副的一个转动轴线有关并一一对应；动平台105的Y向移动特征仅与P ₁副有关。

以下结合具体应用实施例对本发明一种对称两转一移完全解耦并联机构做进一步的描述：

根据本发明的结构形式，一种对称两转一移完全解耦并联机构可以简写为2-CPU-PRR机构，2-CPU-PRR机构的第一分支101、第二分支102和第三分支103通过运动副间实现完全解耦，每一个输入量都对应唯一确定的运动；因此，动平台105相对于基座104的运动不需要同时控制三个分支上的电机，减少控制的难度，其只需要根据需要的自由度，驱动相应的电机，从而减少控制的复杂度，提高控制的精确性，增加2-CPU-PRR机构的实用性。

为了获得2-CPU-PRR机构中动平台105相对于基座104的沿Y向的水平移动，只需要驱动第一分支101上P ₁副的驱动电机，就可以得到相应自由度的实现，而不需要同时对三个分支的驱动电机进行同时驱动。

为了获得2-CPU-PRR机构中动平台105相对于基座104绕X轴轴线的转动自由度，只需要驱动第三分支103上C副中所包含P副处的驱动电机，就可以得到相应自由度的实现，而不需要同时对三个分支的驱动电机进行同时驱动。

为了获得2-CPU-PRR机构中动平台105相对于基座104绕Z轴轴线的转动自由度，只需要驱动第二分支102上R ₂副的驱动电机，就可以得到相应自由度的实现，而不需要同时对三个分支的驱动电机进行同时驱动。

本发明的2-CPU-PPR并联机构具有明显的分支运动副少，安装要求和精度低，运动解耦，控制简单等优势，两个转动中心重合于一点机构稳定性好，可以满足现代工业设计以及实验验证平台搭建的诸多需求。

本发明的2-CPU-PRR机构在保留了并联机构结构紧凑、累积误差小、运动平稳等优点的基础上，实现了三自由度机构运动学的完全解耦；2-CPU-PRR机构具有对称性，第一分支和第二分支结构一样，结构简单，减少了加工难度，节约制作成本和时间，安装和拆卸便于操作，便于进行相关的实验验证平台；2-CPU-PRR机构分支运动副少便于提高控制的精确性，对安装精度要求相比于其他并联机构也较低，活动空间大，克服了传统对称并联机构控制复杂，强耦合性等缺点。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制：尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或着对其中部分或全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

一种三转一移解耦踝关节康复机器人，其包括机身、驱动机构和监测系统，其特征在于，

所述机身为对称的混联机构，所述混联机构包含基座、动平台、将所述基座和所述动平台相连接的三个分支以及与所述动平台相串联的脚踏板；

所述基座的底部设有两条关于Y轴对称分布且与Y轴方向一致的滑动导轨，所述基座的底部设有两个关于Y轴对称的支架；

所述动平台为框架结构，包括依次进行首尾连接的第一支架、第二支架、第三支架和第四支架；

所述混联机构中的并联部分为2-CPRR-PRR并联机构，所述并联机构为解耦的两转动一移动并联机构，连接所述基座和所述动平台的三个分支中第一分支为PRR分支，第二分支和第三分支均为CPRR分支且初始位姿关于YOZ平面对称分布；

所述第一分支包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的第一端与所述滑动导轨通过移动副连接，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端通过轴线垂直于所述基座底部的转动副连接，所述第二连杆的第二端与所述动平台的第一支架通过轴线平行于动平台x轴的转动副连接；

所述第二分支包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第一连杆的第一端与所述基座的第二支架通过轴线垂直于基座的圆柱副连接，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端通过平行于所述基座底部的移动副连接，所述第二连杆的第二端通过轴线垂直于基座底部的转动副与所述第三连杆的第一端连接，所述第三连杆的第二端与所述动平台的第二支架通过轴线平行于动平台x轴的转动副连接；

所述第三分支包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第一连杆的第一端与所述基座的第三支架通过轴线垂直于基座的圆柱副连接，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端通过平行于所述基座底部的移动副连接，所述第二连杆的第二端通过轴线垂直于基座底部的转动副与所述第三连杆的第一端连接，所述第三连杆的第二端与所述动平台的第三支架通过轴线平行于动平台x轴的转动副连接；以及

所述混联机构的串联部分包括所述动平台和所述脚踏板，所述脚踏板与脚踏板连杆的第一端固连在一起，所述脚踏板连杆的第二端与所述动平台的第四支架通过轴线经过动平台上y轴的转动副连接在一起。
根据权利要求1所述的三转一移解耦踝关节康复机器人，其特征在于，所述驱动机构包括四个驱动电机，分别实现康复机器人的三个转动自由度和一个移动自由度，所述第一分支的第一移动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第一移动自由度的输出参数，所述第二分支的第一圆柱副中所包含的P副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第一转动自由度的输出参数，所述第三分支的第一圆柱副的R副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第二转动自由度的输出参数，所述脚踏板上固连连杆与所述动平台第四支架连接的转动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第三转动自由度的输出参数。
根据权利要求2所述的三转一移解耦踝关节康复机器人，其特征在于，所述监测系统包括角位移传感器、直线位移传感器、限位开关和力传感器，所述角位移传感器安装在驱动副为转动副的位置处，所述直线位移传感器安装在驱动副为移动副的位置处，所述限位开关分布在各驱动副极限位置处，所述力传感器安装在所述脚踏板上，所述脚踏板上设有转接组件，能安装加热装置或按摩装置，以丰富康复机器人的功能。
根据权利要求3所述的三转一移解耦踝关节康复机器人，其特征在于，所述踝关节康复机器人在运动学上为解耦机构，通过控制不同的分支可独立得实现三个转动和一个移动，对应实现踝关节运动中背屈/趾屈、内翻/外翻、内旋/外旋以及牵引运动。
根据权利要求1所述的三转一移解耦踝关节康复机器人，其特征在于，机器人的三个转动中心重合于一点，连接脚踏板的连杆长度可调，通过调整连杆长度实现不同脚踝高度的人在康复训练过程中踝关节中心和机器人实际转动中心重合，以达到更好的康复效果。
一种对称两转一移完全解耦并联机构，其包括基座、动平台、以及连接所述基座和所述动平台的第一分支、第二分支和第三分支，其特征在于，

所述基座包括两个平行的滑轨和一个支架，所述动平台具有正三角形状，所述动平台的三个顶点处分别设有第一支架、第二支架和第三支架，所述第一分支和所述第二分支均为PRR分支，包括连杆、移动副P副和转动副R副；所述第三分支为CPU分支，包括连杆、圆柱副C副、移动副P副和虎克铰U副，所述第一分支、第二分支和第三分支通过运动副间实现完全解耦；

所述第一分支和所述第二分支分别包括第一连杆和第二连杆，所述第一分支的第一连杆的第一端与所述基座的第一滑轨连接形成P ₁副，所述第二分支的第一连杆的第一端与所述基座的第二滑轨连接形成P ₂副，所述第一分支中的P ₁副的移动方向与所述第二分支中的P ₂副的移动方向相同，均沿着所述基座上定坐标系中的Y轴方向，所述第一分支的第一连杆的第二端与所述第一分支的第二连杆的第一端连接形成R ₁副，所述R ₁副轴线方向与所述基座上定坐标系中的Z轴方向相同并经过动平台o ₁点，所述第二分支的第一连杆的第二端与所述第二分支的第二连杆的第一端连接形成R ₂副，所述第二分支中的R ₂副与所述第一分支中的R ₁副共线，所述第一分支的第二连杆的第二端与所述动平台的第一支架连接形成R ₃副，所述第二分支的第二连杆的第二端与所述动平台的第二支架连接形成R ₄副，所述第二分支中的R ₄ 副的轴线与所述第一分支中的R ₃副的轴线始终共线，并始终经过动平台上的o ₁点；以及

所述第三分支包括第三连杆和第四连杆，所述第三连杆的第一端与所述基座的支架通过C副连接，所述圆柱副的轴线始终垂直于所述基座平面，所述第三连杆的第二端与所述第四连杆的第一端通过P ₃副连接，所述P ₃副的方向始终平行于所述基座平面，所述第四连杆的第二端通过U副与所述动平台的第三支架连接，所述第三分支中的U副由两个转动副组成具有两个方向互相垂直的转动轴线，所述U副的第一个转动轴线始终垂直于所述基座的平面，所述U副的第二个转动轴线平行于所述基座平台，且始终与所述第一分支中的R ₃副轴线和所述第二分支中的R ₄副轴线平行。
根据权利要求6所述的对称两转一移完全解耦并联机构，其特征在于，所述第一分支和所述第二分支对称分布于所述动平台两侧，所述第一分支的第一连杆和所述第二分支的第一连杆为一个整体，所述整体的宽度和所述基座上两个滑轨之间的距离相等，所述第一分支的第二连杆和所述第二分支的第二连杆为L形，所述动平台的边长大于所述基座上两个滑轨之间的距离。
根据权利要求7所述的对称两转一移完全解耦并联机构，其特征在于，所述第一分支的移动副1处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第一移动自由度的输出参数；所述第二分支的转动副2处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第一转动自由度的输出参数；所述第三分支的圆柱副C副中所包含的P副处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第二转动自由度的输出参数。
根据权利要求8所述的对称两转一移完全解耦并联机构，其特征在于，通过分别设在所述三个分支上的三个驱动电机，所述并联机构的动平台可以实现以动平台o ₁点为中心绕动平台上坐标系中x轴和z轴的转动以及沿定平台上定坐标系中Y轴方向的移动。