一种三自由度广义球面并联机构制造技术

本发明专利技术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，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，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。

A three degree of freedom generalized spherical parallel mechanism

The invention is a three degree of freedom generalized spherical parallel mechanism, which includes: a moving platform, a static platform and a branch chain; the parallel mechanism has two non coincident rotating spherical centers, which are respectively a fixed spherical center and a moving spherical center, which are regarded as a spherical motion with a degree of freedom of 1 around the moving spherical center of the moving platform, and a spherical motion with a degree of freedom of 2 around the fixed spherical center of the moving spherical center; a three degree of freedom generalized spherical parallel mechanism There are two types of chain: ABAA type chain used to control the movement of moving platform around the center of the ball and ABA type chain used to control the movement of moving platform around the center of the ball, ABA type chain has two branches, ABAA type chain has one branch; all branches are composed of A-type link and B-type link, A-type link is a spherical link, the axis lines of the holes at both ends intersect at one point, and B-type link is a double spherical link Spherical connecting rod, all B-bar spherical centers coincide to form the spherical center of the parallel mechanism, and all B-bar spherical centers coincide to form the spherical center of the parallel mechanism. The mechanism has high flexibility and motion accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种三自由度广义球面并联机构
本专利技术涉及机械工程领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术有益效果在于：本专利技术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。本专利技术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，该专利技术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。本专利技术与现有座椅式外骨骼和弹簧助力支撑外骨骼相比，本专利技术具有更强的适应性，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，本专利技术具有低成本、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。本专利技术使用方便、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为本专利技术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专利技术的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本专利技术，不限制本申请的保护范围。本专利技术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。人体踝关节运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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，B型连杆在广义并联机构中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。

【技术特征摘要】
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，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，B型连杆在广义并联机构中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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建军，刘承磊，戚开诚，牛建业，郭士杰，刘旭升，刘秀莹，曹益，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12