一种新型踝关节康复并联机构的制作方法

2021-01-08 12:01:43|

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本实用新型涉及机械工程领域，具体是一种新型踝关节康复并联机构。

背景技术：

踝关节是人体中的重要关节，是支撑身体重量、推动人体蹬离地面的能量枢纽，同时踝关节也是最容易由于体重或者外部冲击导致损伤的关节。中国老龄化及偏瘫患者的加剧，踝关节的运动康复问题日益严重。随着运动康复理论及机器人技术的发展，踝关节康复机器人得以产生，可以辅助治疗师对患者的踝关节进行运动康复治疗。踝关节康复机器人运动平稳可控，不仅可以保证训练的效率和强度，还能在康复过程中对各种数据进行实时记录并用于治疗效果的评价及治疗方案的修正。现有的踝关节康复机器人大多将人体踝关节等效为标准球面副，而实际上人体踝关节是人体最为复杂的关节之一，包括有胫骨、腓骨、距骨、舟骨和跟骨等，如果简单的将其等效为标准球面副，在使用时则会产生较大的人机交互力。

申请号为201910868664.2的文献公开了一种三自由度广义球面并联机构，该并联机构主要包含两条aba型支链和一条aaba型支链，要求所有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。与动平台相连的所有a型连杆的两端孔的轴心线交点始终与动球心重合，与定平台相连的所有a型连杆的两端孔的轴心线始终与定球心重合；倘若有一条支链的a型连杆或b型连杆或者支链的装配精度达不到要求便会导致所有b型连杆的b杆定球心或动球心不会重合，从而使得整个机构丧失自由度，因此要求机构的制造精度和装配精度要求很高；由于每条运动支链的约束力根据螺旋理论计算求得，每条运动支链都会提供一个沿定球心与动球心球心连线的约束力，因此会产生两个多余的约束力，即产生两个虚约束；而且若要调整定球心与动球心之间的球心距需要改变每条支链的a型连杆的杆长和b型连杆的杆长以及“双心线段”的长度，定球心与动球心之间的球心距的精准调节在加工精度上较难达到。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种新型踝关节康复并联机构；该并联机构的制造加工精度与装配精度较低，结构更加简单紧凑，成本更低，改变定球心与动球心之间的球心距在加工方面更容易实现。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是，提供一种新型的踝关节康复并联机构，包括静平台和动平台，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，两个球心之间的距离为一可调节的定值；其特征在于，

该并联机构还包括两条upu支链和一条aaba型支链，两条upu支链关于aaba型支链对称，三条支链的两个末端分别与静平台和动平台以回转副连接；

该并联机构整体视为动球心绕定球心作二自由度的球面运动，动平台在三条支链的约束下绕动球心作一自由度的球面运动；三条支链分别与静平台之间的回转副的回转轴线汇交于一点，该点为并联机构的定球心；三条支链分别与动平台之间的回转副的回转轴线汇交于一点，该点为并联机构的动球心；

aaba型支链由a型连杆和b型连杆按aaba的方式由上至下依次通过回转副连接；a型连杆为球面连杆，其两端孔的轴心线相交于一点；上部两个a型连杆的两端孔的轴心线的交点均与并联机构的定球心重合，下部的a型连杆两端孔的轴心线的交点与并联机构的动球心重合；

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，b杆定球心与并联机构的定球心重合，b杆动球心与并联机构的动球心重合；在此定义b型连杆的两个广义球心所连接成的线段为“双心线段”，“双心线段”的长度为“双心距”，即b型连杆的“双心距”与动球心和定球心之间的距离相等；

每条upu支链上均具有一个沿upu支链长度方向的移动副；两条upu支链控制“双心线段”在空间中的位姿，aaba型支链中的b型连杆控制“双心距”。

所述静平台上呈圆周均匀分布有静平台一号铰支座、静平台二号铰支座和静平台三号铰支座，三个静平台铰支座的铰接孔的轴线汇交于一点，此点即为并联机构的定球心；

所述动平台上呈圆周均匀分布有动平台一号铰支座、动平台二号铰支座和动平台三号铰支座，三个动平台铰支座的铰接孔的轴线汇交于一点，此点即为并联机构的动球心；

每条upu支链包括上虎克铰、虎克铰连杆、虎克铰支座和下虎克铰；upu支链上的移动副由虎克铰连杆和虎克铰连接轴构成，虎克铰连杆的下端设有套筒，虎克铰连接轴的一端伸入套筒内且能在套筒内滑动，与虎克铰连杆之间构成移动副；虎克铰连杆的上端与上虎克铰的短轴铰接，上虎克铰的长轴与静平台相应的铰支座铰接；虎克铰连接轴的另一端固定在虎克铰支座的上端，虎克铰支座的的下端与下虎克铰的短轴铰接，下虎克铰的长轴与动平台相应的铰支座铰接；

每个上虎克铰的长轴的轴线与各自的静平台铰支座的铰接孔的轴线重合，上虎克铰的短轴的轴线与各自的静平台铰支座的铰接孔的轴线垂直；两个上虎克铰长轴的轴线交于一点，该点与并联机构的定球心重合，每个下虎克铰的长轴的轴线与各自的动平台铰支座的铰接孔的轴线垂直，下虎克铰的短轴的轴线与各自的动平台铰支座的铰接孔的轴线重合；两个下虎克铰长轴的轴线交于一点，该点与并联机构的动球心重合；

所述aaba型支链由三个a型连杆和一个b型连杆按aaba的方式依次通过回转副连接，其中一号a型连杆的一端与静平台二号铰支座铰接，一号a型连杆的另一端与二号a型连杆的一端铰接；二号a型连杆的另一端与b型连杆的一端铰接，b型连杆的另一端与三号a型连杆的一端铰接，三号a型连杆的另一端与动平台二号铰支座铰接。

每条upu支链包括上虎克铰、虎克铰连杆、虎克铰支座和下虎克铰，upu支链上的移动副由虎克铰连杆和电动推杆构成；上虎克铰的长轴与静平台相应的铰支座铰接，上虎克铰的短轴与虎克铰连杆的上端铰接；虎克铰连杆的下端过盈配合在电动推杆的输出轴上，电动推杆工作时与虎克铰连杆之间构成移动副；电动推杆的安装部固定在虎克铰支座的上端，虎克铰支座的下端与下虎克铰的短轴铰接，下虎克铰的长轴与动平台相应的铰支座铰接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型主要包含两条upu支链和一条aaba型支链构成，每条upu支链产生一个过上虎克铰长轴轴线与下虎克铰长轴轴线交点的约束力，该约束力平行于各自的上虎克铰的短轴轴线；aaba型支链产生一个沿定球心与动球心的球心连线的约束力，上述三个约束力线性无关，即该并联机构存在三个自由度且不存在虚约束，不会影响其运动性能；该并联机构仅要求每条upu支链的上虎克铰长轴的轴线过定球心，下虎克铰长轴的轴线过动球心，aaba型连杆的b型连杆的b杆定球心与定球心重合，b杆动球心与动球心重合即可；相对于由aba型支链与aaba型连杆构成的并联机构要求所有b型连杆的“双心线段”始终完全重合，与动平台相连的所有a型连杆两端孔的轴心线交点始终与动球心重合，与定平台相连的所有a型连杆两端孔的轴心线始终与定球心重合而言，本方案的制造加工精度和装配精度明显降低不少；倘若要调整定球心与动球心的球心距，只需要改变aaba型连杆的a型连杆长度和b型连杆的杆长与“双心线段”的长度，upu支链由于存在移动副只需根据所选的球心距调整移动副的移动量即可，进一步降低了加工难度和加工精度。

综上所述，与现有的由aba型支链和aaba型支链构成的三自由度并联机构相比，本实用新型的制造加工精度与装配精度更低，结构更加简单紧凑，成本更低，改变定球心与动球心之间的球心距在加工方面更容易实现。

本实用新型可运用于人体踝关节康复机器人以及外骨骼设计中，不仅可以充分满足人体踝关节背伸/跖屈、内收/外展、内/外翻，还可以充分拟合踝关节距骨与跟骨之间的瞬时运动，充分消除传统踝关节康复机构由于踝关节距骨所引起的人机交互力，结构简单，承载能力强，运动灵巧性高，安全可靠，适用于各类人群。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的upu支链的结构示意图；

图3为本实用新型的aaba型支链的结构示意图；

附图标记说明：1、静平台；2、定球心；3、动球心；4、动平台；5、上虎克铰；6、虎克铰连杆；7、虎克铰支座；8、下虎克铰；9、一号a型连杆；10、二号a型连杆；11、b型连杆；12、三号a型连杆；13、虎克铰连接轴；101、静平台一号铰支座；102、静平台二号铰支座；103、静平台三号铰支座；401、动平台一号铰支座；402、动平台二号铰支座；403、动平台三号铰支座。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步说明。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。

本实用新型提供了一种新型踝关节康复并联机构(简称并联机构)，包括静平台1、动平台4、两条upu支链和一条aaba型支链；两条upu支链关于aaba型支链对称，形成半对称的结构，三条支链的两个末端分别与静平台1和动平台4以回转副连接；该并联机构具有两个不重合的旋转球心，分别为定球心2和动球心3，两个球心之间的距离为一可调节的定值；该并联机构整体可视为动球心3绕定球心2作二自由度的球面运动，动平台4在三条支链的约束下绕动球心3作一自由度的球面运动；三条支链分别与静平台1之间的回转副的回转轴线汇交于一点，该点为并联机构的定球心2；三条支链分别与动平台4之间的回转副的回转轴线汇交于一点，该点为并联机构的动球心3；

aaba型支链由a型连杆和b型连杆按aaba的方式由上至下依次通过回转副连接；a型连杆为球面连杆，其两端孔的轴心线相交于一点；上部两个a型连杆的两端孔的轴心线的交点均与并联机构的定球心2重合，下部的a型连杆两端孔的轴心线的交点与并联机构的动球心3重合；

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，b杆定球心与并联机构的定球心2重合，b杆动球心与并联机构的动球心3重合；在此定义b型连杆的两个广义球心所连接成的线段为“双心线段”，“双心线段”的长度为“双心距”，即b型连杆的“双心距”与动球心3和定球心2之间的距离相等；

每条upu支链上均具有一个沿upu支链长度方向的移动副；两条upu支链控制“双心线段”在空间中的位姿，aaba型支链中的b型连杆控制“双心距”。

实施例1

本实施例一种新型踝关节康复并联机构(参见图1-3)，包括静平台1、动平台4、两条upu支链和一条aaba型支链；

所述静平台1上呈圆周均匀分布有静平台一号铰支座101、静平台二号铰支座102和静平台三号铰支座103，三个静平台铰支座的铰接孔的轴线汇交于一点，此点即为并联机构的定球心2；

所述动平台4上呈圆周均匀分布有动平台一号铰支座401、动平台二号铰支座402和动平台三号铰支座403，三个动平台铰支座的铰接孔的轴线汇交于一点，此点即为并联机构的动球心3；

每条upu支链由虎克铰构成，包括上虎克铰5、虎克铰连杆6、虎克铰支座7、下虎克铰8和虎克铰连接轴13；其中一条upu支链的上虎克铰5的长轴与静平台1一号铰支座101铰接，上虎克铰5的短轴与虎克铰连杆6的上端铰接；虎克铰连杆6的下端设有套筒，虎克铰连接轴13的一端伸入套筒内且能在套筒内滑动，与虎克铰连杆6之间构成移动副；虎克铰连接轴13的另一端固定在虎克铰支座7的上端，虎克铰支座7的的下端与下虎克铰8的短轴铰接，下虎克铰8的长轴与动平台一号铰支座401铰接；另一条upu支链的上虎克铰5的长轴与静平台三号铰支座103铰接，该upu支链的下虎克铰8的长轴与动平台三号铰支座403铰接；

每个上虎克铰5的长轴的轴线与各自的静平台铰支座的铰接孔的轴线重合，上虎克铰5的短轴的轴线与各自的静平台铰支座的铰接孔的轴线垂直；两个上虎克铰5长轴的轴线交于一点，该点与并联机构的定球心2重合，每个下虎克铰8的长轴的轴线与各自的动平台铰支座的铰接孔的轴线垂直，下虎克铰8的短轴的轴线与各自的动平台铰支座的铰接孔的轴线重合；两个下虎克铰8长轴的轴线交于一点，该点与并联机构的动球心3重合；

所述aaba型支链由三个a型连杆和一个b型连杆按aaba的方式依次通过回转副连接，其中一号a型连杆9的一端与静平台二号铰支座102铰接，一号a型连杆9的另一端与二号a型连杆10的一端铰接；二号a型连杆10的另一端与b型连杆11的一端铰接，b型连杆11的另一端与三号a型连杆12的一端铰接，三号a型连杆12的另一端与动平台二号铰支座402铰接。

本实施例的工作原理和工作流程是：

当该并联机构应用到人体踝关节康复机器人中时，首先根据患者的距骨尺寸，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，即可计算定球心2与动球心3之间的距离参数，根据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的定球心2始终与距骨和跟骨的平均相对转动球心重合，并联机构的动球心3始终与胫骨和距骨的平均相对转动球心重合。

使用时一号a型连杆9的上端以及每个上虎克铰5的长轴上分别设置有伺服电机，即一号a型连杆9和两个上虎克铰5作为原动件，都用转动副驱动；三个伺服电机分别带动两条upu支链中的上虎克铰5和aaba型支链中的一号a型连杆9相对于静平台1转动，三个伺服电机的角度输入量即为该并联机构的输入量，控制各个支链的位姿进而控制动平台4的位姿；aaba型支链的一号a型连杆9带动二号a型连杆10转动，两条upu支链中的两个上虎克铰5带动各自的虎克铰连杆6转动；由于静平台1的一号铰支座101、三号铰支座103以及两个上虎克铰5长轴的轴线交于一点，该点与并联机构的定球心2重合；动平台5的一号铰支座401、三号铰支座403以及两个下虎克铰8长轴的轴线交于一点，该点与并联机构的动球心3重合；由于虎克铰连杆6与虎克铰支座7之间采用移动副连接，两杆之间沿着upu支链长度方向运动；“双心线段”位于每条upu支链的上虎克铰连杆5长轴的轴线与下虎克铰8长轴的轴线所在的平面内，“双心线段”在空间中的姿态仅有两个自由度，故两条upu支链控制“双心线段”在空间中的位姿，aaba型支链中的b型连杆控制“双心距”；因此两条upu支链中的上虎克铰5长轴的角度输入量决定了该并联机构的动球心3的空间位置，该动球心3具有两个自由度；aaba型支链的一号a型连杆9和二号a型连杆10均为a型球面连杆，且两者两端孔的轴心线交点与定球心重合，故其限制了b型连杆11的“b杆定球心”与并联机构的定球心2重合；三号a型连杆两端孔的轴心线交点与动平台5的三个铰支座铰接孔的轴线的交点重合，即与并联机构的动球心3重合，从而限制b型连杆11的“b杆动球心”与并联机构的动球心3重合；故b型连杆11的空间运动为绕“双心线段”的转动；若原动件upu支链的两个上虎克铰5长轴的角度输入量给定，则并联机构的“双心线段”空间位姿固定；此时静平台1、一号a型连杆9、二号a型连杆10、b型连杆11组成球面四杆机构，球面四杆机构具有一个自由度，即一号a型连杆9通过二号a型连杆10带动b型连杆绕“双心线段”转动；b型连杆通过三号a型连杆在两条upu支链的限制下，带动动平台4绕并联机构的动球心3做球面运动。

综上，原动件两个上虎克铰5长轴的角度输入量控制动球心3绕定球心2的球面运动，其具有两个自由度，当该并联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；原动件一号a型连杆9的角度输入量控制动平台4绕动球心3的球面运动，具有一个自由度，其主要拟合使用者踝关节距骨与跟骨之间的相对运动；该并联机构整体具有三个自由度，可以拟合更为精确的拟合踝关节运动，大幅度减小由于机构构型带来的人机交互力。

实施例2

本实施例一种新型踝关节康复并联机构(参见图1-3)，包括静平台1、动平台4、两条upu支链和一条aaba型支链；

每条upu支链由虎克铰构成，包括上虎克铰5、虎克铰连杆6、虎克铰支座7、下虎克铰8和电动推杆；其中一条upu支链的上虎克铰5的长轴与静平台1一号铰支座101铰接，上虎克铰5的短轴与虎克铰连杆6的上端铰接；虎克铰连杆6过盈配合在电动推杆的输出轴上，电动推杆工作时与虎克铰连杆6之间构成移动副；电动推杆的安装部固定在虎克铰支座7的上端，虎克铰支座7的下端与下虎克铰8的短轴铰接，下虎克铰8的长轴与动平台一号铰支座401铰接；另一条upu支链的上虎克铰5的长轴与静平台三号铰支座103铰接，该upu支链的下虎克铰8的长轴与动平台三号铰支座403铰接；

本实施例的工作原理和工作流程是：

两个电动推杆和设在aaba型支链上的伺服电机工作，即用两个upu支链的移动副和aaba支链的转动副驱动；设在aaba型支链上的伺服电机带动一号a型连杆9转动，每条upu支链的电动推杆使该upu支链的上虎克铰5和下虎克铰8之间的距离发生改变，从而使动平台4运动；upu支链的电动推杆带动整条upu支链运动，从而使得“双心线段”的姿态发生改变，即改变并联机构的动球心3的空间位置；一号a型连杆9、二号a型连杆10、b型连杆11和三号a型连杆12依次连接成aaba型支链，且b型连杆11的“b杆定球心”、一号a型连杆9两端孔的轴心线的交点以及二号a型连杆10的两端孔的轴心线的交点均与并联机构的定球心2重合，且b型连杆11的“双心距”与定球心2和动球心3之间的距离相等，b型连杆11的“b杆动球心”以及三号a型连杆12的两端孔的轴心线的交点与并联机构的动球心3重合，故b型连杆11的空间运动为绕“双心线段”的转动；b型连杆通过三号a型连杆在两条upu支链的限制下，带动动平台4绕动球心3做球面运动。

综上，两个电动推杆的伸缩量控制动球心3绕定球心2的球面运动，决定了并联机构动球心3的空间位置，其具有两个自由度，当该并联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；一号a型连杆的角度输入量控制动平台4绕动球心3的球面运动，具有一个自由度，其主要拟合使用者踝关节距骨与跟骨之间的相对运动；该并联机构整体具有三个自由度，可以拟合更为精确的拟合踝关节运动，大幅度减小由于机构构型带来的人机交互力，达到患者踝关节康复训练的目的。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

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