三转一移解耦踝关节康复机器人制造技术

本发明专利技术涉及一种三转一移解耦踝关节康复机器人，包括机身、驱动机构和监测系统，机身由对称的混联机构组成，包含基座、动平台、脚踏板以及连接基座和动平台的三个分支，优选的，三个分支中第一个分支为PRR分支，第二个分支和第三个分支均为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；优选的，本发明专利技术所含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中背屈/趾屈、内翻/外翻、内旋/外旋、本发明专利技术适用范围广，不仅可用于踝关节康复训练，在脚踏板上植入相应按摩部件，还能用于家庭保健。

Three-turn-one-shift decoupled ankle rehabilitation robot

The invention relates to a three-turn-one-shift decoupled ankle rehabilitation robot, which comprises a fuselage, a driving mechanism and a monitoring system. The fuselage consists of a symmetrical parallel mechanism, comprising three branches of a base, a moving platform, a pedal and a connecting base and a moving platform. The first branch of the three branches is a PRR branch, and the second branch and the third branch are CPRR branches. The base is symmetrically distributed, the pedal is connected in series with the moving platform to form a local branch, and the mechanism as a whole is a 3R1T mechanism. Optimally, the mechanism contained in the present invention is a decoupling mechanism in kinematics, and can independently realize dorsiflexion/toe flexion, varus/valgus, internal rotation/external rotation in ankle joint motion by controlling different branches. The present invention has wide application range and can be used not only in ankle joint rehabilitation training. It can also be used for family health care.

【技术实现步骤摘要】
三转一移解耦踝关节康复机器人
本专利技术属于踝关节康复领域，特别涉及一种能实现三转一移的对称解耦踝关节康复机器人。
技术介绍
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。该专利技术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。
技术实现思路
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，本专利技术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，本专利技术是这样实现的：一种三转一移解耦踝关节康复机器人，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。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(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。附图说明图1为专利技术的康复机器人的所有运动副位置的示意图；图2为本专利技术的康复机器人的分支1构件的示意图；图3为本专利技术的康复机器人的分支2、3构件的示意图；图4为本专利技术的康复机器人的串联部分构件的示意图；以及图5为本专利技术的康复机器人的监测传感器的分布的示意图。附图标记：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、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三转一移解耦踝关节康复机器人，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。...

【技术特征摘要】
1.一种三转一移解耦踝关节康复机器人，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾达幸，吴华芳，荣令魁，周建华，孙水余，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13