CN109925167B - 三转一移解耦踝关节康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明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***，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。

Description

三转一移解耦踝关节康复机器人

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对称解耦踝关节康复机器人。

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。

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，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，包括机身、驱动机构和监测***，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***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。

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；以及

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。

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、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；

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。

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o₁；

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***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***以更加直观的了解训练者的生理反馈。

本发明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o₁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。

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 (5)

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***，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分支的第一连杆和第一分支的第二连杆，所述第一分支的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通过轴线垂直于所述基座底部的转动副连接，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二分支的第一连杆、第二分支的第二连杆和第二分支的第三连杆，所述第二分支的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通过平行于所述基座底部的移动副连接，所述第二分支的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二分支的第三连杆的第一端连接，所述第二分支的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三分支的第一连杆、第三分支的第二连杆和第三分支的第三连杆，所述第三分支的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，所述第三分支的第一连杆的第二端与所述第三分支的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，所述第三分支的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分支的第三连杆的第一端连接，所述第三分支的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。

2.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，其运动量表示该机器人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，其运动量表示该机器人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，其运动量表示该机器人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，其运动量表示该机器人第三转动自由度的输出参数。

3.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***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。

4.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的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。

5.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。

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