CN114668629B - 一种含子闭链的四自由度踝关节康复并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种含子闭链的四自由度踝关节康复并联机构，包括静平台、动平台、输入伺服电机、一条闭环混联支链和两条UPS支链；并联机构的运动可视为动球心绕着定球心的球面运动以及动平台绕着动球心的球面运动的组合运动，用该组合运动去拟合踝关节的运动，以减小踝关节康复训练过程中产生的人机交互力；动平台前端的底部设有弧形导轨，闭环混联支链七号连杆上端与动平台的弧形导轨滑动连接形成移动副，闭环混联支链三号连杆下端和闭环混联支链六号连杆下端同时与闭环混联支链七号连杆下端铰接形成复合回转副，进而将动平台绕着动球心的球面运动解耦为一个复合回转副和移动副，使得机构运动学更加简单，降低了控制难度和配合精度。
Description
技术领域
本发明属于康复器械技术领域，具体是一种含子闭链的四自由度踝关节康复并联机构。
背景技术
踝关节由胫距关节和距下关节组成，两个关节均具有一定的活动度，踝关节的运动可以视为由这两个关节运动组成的复杂运动。现有的踝关节康复机器人没有考虑胫距关节和距下关节的运动耦合，而是将踝关节的运动简单等效为球面运动，因而在康复时普遍存在机构运动与患者踝关节运动不一致的情况，导致康复训练时产生的人机交互力较大，容易引起患者不适，甚至会对患者造成二次伤害。
申请号为202010262298.9的专利申请公开了一种新型踝关节康复并联机构，该机构主要包括一条ABAA支链和两条UPU支链，三条支链各自提供一个约束力，其中ABAA支链提供沿双心线方向的约束力，两条UPU支链均提供一个过上虎克铰长轴轴线与下虎克铰长轴轴线交点，且平行于各自的上虎克铰的短轴轴线方向上的约束力，三个约束力线性无关，约束了动平台沿三个约束力方向的移动，机构整体表现为三个转动自由度，机构结构紧凑。该机构的缺点为：1、将踝关节等效为UR模型，认为距下关节的转动为定轴转动，与实际相差较大；2、为了保证机构能够完成广义球面运动，两条UPU支链中两个上虎克铰长轴的轴线需交于一点，该点与并联机构的定球心重合，两个下虎克铰长轴的轴线需要交于一点，该点与并联机构的动球心重合，这两个重合关系加大了机构的制造难度和装配难度，若加工和装配时不能保证该重合关系，机构整体的运动形式将发生极大改变，且这种配合需要机构本身具有极高的刚度，若运动过程中两条UPU支链有小幅形变，机构整体的运动形式也将发生极大变化，无法保证该机构按照预定的踝关节康复轨迹运动，容易对患者造成二次损伤。
申请号为201921527838.0的中国专利公开了一种含子闭环的四自由度广义球面并联机构，该机构主要包含一条闭环支链和两条AABA支链，机构动球心的位置由闭环支链确定，动平台的位置和姿态由闭环支链和两条AABA支链共同确定，要求闭环支链和两条AABA支链之间具有较高的耦合程度，增加了控制难度；机构的支链全部由A型连杆和B型连杆组成，使得机构运动完全依靠A型连杆和B型连杆之间的配合产生约束，需要较高的配合精度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，设计一种含子闭链的四自由度踝关节康复并联机构；该并联机构主要包含两条UPS支链和一条闭环混联支链，并联机构的运动可视为动球心绕着定球心的球面运动以及动平台绕着动球心的球面运动的组合运动，用该组合运动去拟合踝关节中的胫距关节和距下关节的运动，以减小踝关节康复训练过程中产生的人机交互力；通过对动平台绕着动球心的球面运动进行解耦，使得机构运动学更加简单，降低了控制难度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种含子闭链的四自由度踝关节康复并联机构，包括静平台、动平台和输入伺服电机；其特征在于，该机构还包括一条闭环混联支链和两条UPS支链；
所述静平台由底板和位于底板前端的竖直支架构成，竖直支架上部的左、右两侧对称设有静平台一号铰支座和静平台二号铰支座，底板中部的左、右两侧对称设有静平台三号铰支座和静平台四号铰支座；
所述动平台前端的底部设有弧形导轨，弧形导轨的开口向上且弧形导轨的圆心与该并联机构的动球心重合，动平台后端的底部两侧对称设有动平台一号铰支座和动平台二号铰支座；动平台一号铰支座与一条UPS支链的上端铰接，该UPS支链的下端与静平台三号铰支座铰接；动平台二号铰支座与另一条UPS支链的上端铰接，该UPS支链的下端与静平台四号铰支座铰接；
所述闭环混联支链包括闭环混联支链一号连杆、闭环混联支链二号连杆、闭环混联支链三号连杆、闭环混联支链四号连杆、闭环混联支链五号连杆、闭环混联支链六号连杆和闭环混联支链七号连杆；闭环混联支链一号连杆上端与静平台一号铰支座铰接形成回转副A1，闭环混联支链一号连杆下端与闭环混联支链二号连杆上端铰接形成回转副B1，闭环混联支链二号连杆下端与闭环混联支链三号连杆上端铰接形成回转副C1，闭环混联支链四号连杆上端与静平台二号铰支座铰接形成回转副A2，闭环混联支链四号连杆下端与闭环混联支链五号连杆上端铰接形成回转副B2，闭环混联支链五号连杆下端与闭环混联支链六号连杆上端铰接形成回转副C2，闭环混联支链三号连杆下端和闭环混联支链六号连杆下端同时与闭环混联支链七号连杆下端铰接形成复合回转副D，闭环混联支链七号连杆上端与动平台的弧形导轨滑动连接形成移动副E；
两个输入伺服电机安装在静平台上，一个输入伺服电机的输出轴与闭环混联支链一号连杆上端连接，另一个输入伺服电机的输出轴与闭环混联支链四号连杆上端连接；
上述回转副A1、B1、A2和B2的回转轴线交于一点，该交点即为并联机构的定球心，回转副C1、C2和D的回转轴线交于一点，该交点即为并联机构的动球心，定球心和动球心之间的间距为定值；并联机构具有四个自由度，在并联机构在运动过程中动球心绕着定球心做球面转动，动平台绕着动球心做球面转动。
进一步的，所述动平台前端的底部间隔设有两个弧形导轨；闭环混联支链七号连杆的上端设有连接头，连接头的两侧均设有凸台，每个凸台与各自的弧形导轨滑动连接。
进一步的，上述机构在实际应用时，患者足部穿戴在动平台上，定球心的位置与患者的胫距关节中心对应，动球心的位置与患者的距下关节中心对应，动球心相对于定球心的球面运动用于拟合胫距关节的运动，实现足部的背伸跖屈运动；动平台相对于动球心的球面运动用于拟合距下关节的运动，实现足部的内、外翻运动和内、外旋运动；通过控制动平台的位置和姿态控制患者踝关节按照预定轨迹进行康复训练。
进一步的，所述UPS支链由虎克铰连杆、伺服电动缸和球铰连杆组成；其中一条UPS支链的虎克铰连杆下端通过虎克铰与静平台三号铰支座铰接构成UPS支链的U副，虎克铰连杆上端与伺服电动缸固定端相连，伺服电动缸的推杆与球铰连杆下端固连，伺服电动缸构成UPS支链的P副；球铰连杆上端通过球铰与动平台一号铰支座铰接构成UPS支链的S副。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、动平台的底部设有弧形导轨，闭环混联支链七号连杆的上端与弧形导轨滑动连接形成移动副，闭环混联支链七号连杆的下端与闭环混联支链三号连杆下端和闭环混联支链六号连杆下端铰接形成复合回转副，将动平台绕着动球心的球面运动解耦为移动副和复合回转副，不仅降低了动平台与闭环混联支链的耦合程度，机构的运动学更加简单，降低了控制难度，而且使得动平台相对于动球心的球面运动的空间更大，保证机构能更好地拟合踝关节运动。
2、本发明使用了两个UPS支链，减少了机构并联的冗余约束，减少了机构的奇异，进一步使得机构的运动学更为简单，机构的运动和力传递性能更好。整个机构只有闭环混联支链含有球面连杆，减少了球面连杆的使用，且由于UPS支链不需要考虑与闭链混联支链的配合关系，降低了机构配合精度要求，使得机构的加工制造成本大大降低。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的静平台的结构示意图；
图3为本发明的动平台的结构示意图；
图4为本发明的闭环混联支链的结构示意图；
图5为本发明的A型连杆的结构示意图；
图6为本发明的B型连杆的结构示意图；
图7为本发明的UPS支链的结构示意图；
附图标记说明：1、静平台；2、动平台；3、闭环混联支链；4、UPS支链；5、定球心；6、动球心；7、输入伺服电机；
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；104、静平台四号铰支座；105、底板；106、竖直支架；201、动平台一号铰支座；202、动平台二号铰支座；203、弧形导轨；301、闭环混联支链一号连杆；302、闭环混联支链二号连杆；303、闭环混联支链三号连杆；304、闭环混联支链四号连杆；305、闭环混联支链五号连杆；306、闭环混联支链六号连杆；307、闭环混联支链七号连杆；401、虎克铰连杆；402、伺服电动缸；403、球铰连杆；501、B杆定球心；502、B杆动球心。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步详细说明，但并不以此限定本申请的保护范围。
本发明提供了一种含子闭链的四自由度踝关节康复并联机构(简称机构)，如图1所示，该机构包括静平台1、动平台2、闭环混联支链3、UPS支链4和输入伺服电机7；
如图2所示，所述静平台1由底板105和位于底板105前端的竖直支架106构成，静平台1上设有四个铰支座，分别为竖直支架106上部两侧的静平台一号铰支座101和静平台二号铰支座102、以及位于底板105中部两侧的静平台三号铰支座103和静平台四号铰支座104；静平台一号铰支座101和静平台二号铰支座102关于静平台1的对称面对称，静平台三号铰支座103和静平台四号铰支座104关于静平台1的对称面对称；
如图3所示，所述动平台2前端的底部设有弧形导轨203，动平台2后端的底部两侧对称设有动平台一号铰支座201和动平台二号铰支座202；动平台一号铰支座201与一条UPS支链4的上端铰接，该UPS支链4的下端与静平台三号铰支座103铰接；动平台二号铰支座202与另一条UPS支链4的上端铰接，该UPS支链4的下端与静平台四号铰支座104铰接；弧形导轨203关于动平台2的对称面对称，弧形导轨203的开口向上，弧形导轨203的圆心与该并联机构的动球心6重合，其圆心角根据踝关节的运动范围给出，圆心角取值范围为90°～120°；
如图4所示，所述闭环混联支链3由七个连杆组成，分别为闭环混联支链一号连杆301、闭环混联支链二号连杆302、闭环混联支链三号连杆303、闭环混联支链四号连杆304、闭环混联支链五号连杆305、闭环混联支链六号连杆306和闭环混联支链七号连杆307；其中，闭环混联支链一号连杆301上端与静平台一号铰支座101铰接形成回转副A1，闭环混联支链一号连杆301下端与闭环混联支链二号连杆302上端铰接形成回转副B1，闭环混联支链二号连杆302下端与闭环混联支链三号连杆303上端铰接形成回转副C1，闭环混联支链四号连杆304上端与静平台二号铰支座102铰接形成回转副A2，闭环混联支链四号连杆304下端与闭环混联支链五号连杆305上端铰接形成回转副B2，闭环混联支链五号连杆305下端与闭环混联支链六号连杆306上端铰接形成回转副C2，闭环混联支链三号连杆303下端和闭环混联支链六号连杆306下端同时与闭环混联支链七号连杆307下端铰接形成复合回转副D，闭环混联支链七号连杆307上端与动平台2的弧形导轨203滑动连接形成移动副E；
上述回转副A1、B1、A2和B2的回转轴线交于一点，该交点即为并联机构的定球心5，回转副C1、C2和D的回转轴线交于一点，该交点即为并联机构的动球心6，因此闭环混联支链3确定了并联机构的定球心5和动球心6，定球心5和动球心6之间的间距为可以根据使用者踝关节大小进行调节的定值；
两个输入伺服电机7对称安装在静平台1的左、右两侧，其中一个输入伺服电机7的输出轴轴线与静平台一号铰支座101的回转轴线重合，该输入伺服电机7的输出轴与闭环混联支链一号连杆301上端连接，形成驱动一；另一个输入伺服电机7的输出轴轴线与静平台二号铰支座102的回转轴线重合，该输入伺服电机7的输出轴与闭环混联支链四号连杆304上端连接，形成驱动二；两条UPS支链4的伺服电动缸402分别为驱动三和驱动四，通过四个驱动使并联机构具有四个自由度，使并联机构在运动过程中动球心6绕着定球心5转动，动平台2绕着动球心6转动。
所述闭环混联支链3中，闭环混联支链一号连杆301、闭环混联支链三号连杆303、闭环混联支链四号连杆304和环混联支链六号连杆306均为A型连杆，闭环混联支链二号连杆302和闭环混联支链五号连杆305均为B型连杆；如图5所示，A型连杆为球面连杆，其两端孔的轴线汇交于一点；如图6所示，B型连杆为双球心球面连杆，其具有两个广义球心，分别为B杆动球心501和B杆定球心502，定义B杆动球心501和B杆定球心502之间的距离为B型连杆的“双心距”。
如图7所示，所述UPS支链4由虎克铰连杆401、伺服电动缸402和球铰连杆403组成；其中一条UPS支链4的虎克铰连杆401下端通过虎克铰与静平台三号铰支座103铰接构成UPS支链4的U副，虎克铰连杆401上端与伺服电动缸402固定端相连，伺服电动缸402的推杆与球铰连杆403下端固连，伺服电动缸402构成UPS支链4的P副，为UPS支链4的输入；球铰连杆403上端通过球铰与动平台一号铰支座201铰接构成UPS支链4的S副；另一条UPS支链4与静平台四号铰支座104和动平台二号铰支座202的连接同理。
所述动平台2前端的底部间隔设有两个弧形导轨203；闭环混联支链七号连杆307的上端设有连接头，连接头的两侧均设有凸台，每个凸台与各自的弧形导轨203配合，实现闭环混联支链七号连杆307与弧形导轨203的滑动连接，提高了滑动的稳定性。
本发明的工作原理和工作流程是：
该并联机构的运动可视为动球心6绕着定球心5的球面运动以及动平台2绕着动球心6的球面运动的组合运动，定球心5和动球心6的运动关系完全由闭链混联支链3确定，驱动一和驱动二分别通过控制闭环混联支链一号连杆301和闭环混联支链四号连杆304相对于静平台1的竖直支架106的旋转运动来控制机构运动，当驱动一和驱动二的输入确定时，闭环混联支链一号连杆301和闭环混联支链四号连杆304的空间位姿确定，组成闭链混联支链3的各个杆件的空间位姿确定，此时动球心6的位置也相应确定，因而驱动一和驱动二直接通过旋转不同的角度控制动球心6绕着定球心5的球面运动；在动球心6的位置确定的同时，表示驱动三和驱动四的伺服电动缸通过伸缩量的改变，控制闭环混联支链七号连杆307沿着弧形导轨203的滑动以及相对于闭环混联支链三号连杆303下端和闭环混联支链六号连杆306下端的转动，即复合回转副D和移动副E，这两个运动是对动平台2绕着动球心6的球面运动的解耦。
该并联机构通过组合运动拟合踝关节中的胫距关节和距下关节的运动，以减小踝关节康复训练过程中产生的人机交互力；该机构在实际应用时，患者足部穿戴在动平台2上，定球心5的位置与患者的胫距关节中心对应，动球心6的位置与患者的距下关节中心相对应，通过四个驱动共同控制动平台2的位置和姿态，进而控制患者踝关节按照预定轨迹进行康复训练。其中，动球心6相对于定球心5的球面运动是用来拟合胫距关节的运动，主要用于实现足部的背伸跖屈运动；动平台2相对于动球心6的球面运动是用来拟合距下关节的运动，因此闭环混联支链3中复合回转副D和移动副E主要用于实现足部的内、外翻运动和内、外旋运动。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (4)
1.一种含子闭链的四自由度踝关节康复并联机构，包括静平台、动平台和输入伺服电机；其特征在于，该机构还包括一条闭环混联支链和两条UPS支链；
所述静平台由底板和位于底板前端的竖直支架构成，竖直支架上部的左、右两侧对称设有静平台一号铰支座和静平台二号铰支座，底板中部的左、右两侧对称设有静平台三号铰支座和静平台四号铰支座；
所述动平台前端的底部设有弧形导轨，弧形导轨的开口向上且弧形导轨的圆心与该并联机构的动球心重合，动平台后端的底部两侧对称设有动平台一号铰支座和动平台二号铰支座；动平台一号铰支座与一条UPS支链的上端铰接，该UPS支链的下端与静平台三号铰支座铰接；动平台二号铰支座与另一条UPS支链的上端铰接，该UPS支链的下端与静平台四号铰支座铰接；
所述闭环混联支链包括闭环混联支链一号连杆、闭环混联支链二号连杆、闭环混联支链三号连杆、闭环混联支链四号连杆、闭环混联支链五号连杆、闭环混联支链六号连杆和闭环混联支链七号连杆；闭环混联支链一号连杆上端与静平台一号铰支座铰接形成回转副A1，闭环混联支链一号连杆下端与闭环混联支链二号连杆上端铰接形成回转副B1，闭环混联支链二号连杆下端与闭环混联支链三号连杆上端铰接形成回转副C1，闭环混联支链四号连杆上端与静平台二号铰支座铰接形成回转副A2，闭环混联支链四号连杆下端与闭环混联支链五号连杆上端铰接形成回转副B2，闭环混联支链五号连杆下端与闭环混联支链六号连杆上端铰接形成回转副C2，闭环混联支链三号连杆下端和闭环混联支链六号连杆下端同时与闭环混联支链七号连杆下端铰接形成复合回转副D，闭环混联支链七号连杆上端与动平台的弧形导轨滑动连接形成移动副E；
两个输入伺服电机安装在静平台上，一个输入伺服电机的输出轴与闭环混联支链一号连杆上端连接，另一个输入伺服电机的输出轴与闭环混联支链四号连杆上端连接；
上述回转副A1、B1、A2和B2的回转轴线交于一点，交点即为并联机构的定球心，回转副C1、C2和复合回转副D的回转轴线交于一点，交点即为并联机构的动球心，定球心和动球心之间的间距为定值；并联机构具有四个自由度，在并联机构运动过程中动球心绕着定球心做球面转动，动平台绕着动球心做球面转动。
2.根据权利要求1所述的含子闭链的四自由度踝关节康复并联机构，其特征在于，所述动平台前端的底部间隔设有两个弧形导轨；闭环混联支链七号连杆的上端设有连接头，连接头的两侧均设有凸台，每个凸台与各自的弧形导轨滑动连接。
3.根据权利要求1或2所述的含子闭链的四自由度踝关节康复并联机构，其特征在于，该机构的使用方法为，患者足部穿戴在动平台上，定球心的位置与患者的胫距关节中心对应，动球心的位置与患者的距下关节中心对应，动球心相对于定球心的球面运动用于拟合胫距关节的运动，实现足部的背伸跖屈运动；动平台相对于动球心的球面运动用于拟合距下关节的运动，实现足部的内、外翻运动和内、外旋运动；通过控制动平台的位置和姿态控制患者踝关节按照预定轨迹进行康复训练。
4.根据权利要求1所述的含子闭链的四自由度踝关节康复并联机构，其特征在于，所述UPS支链由虎克铰连杆、伺服电动缸和球铰连杆组成；其中一条UPS支链的虎克铰连杆下端通过虎克铰与静平台三号铰支座铰接构成UPS支链的U副，虎克铰连杆上端与伺服电动缸固定端相连，伺服电动缸的推杆与球铰连杆下端固连，伺服电动缸构成UPS支链的P副；球铰连杆上端通过球铰与动平台一号铰支座铰接构成UPS支链的S副。
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Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6497548B1 (en) * | 1999-08-05 | 2002-12-24 | Shambhu Nath Roy | Parallel kinematics mechanism with a concentric sperical joint |
| CN1775487A (zh) * | 2005-12-06 | 2006-05-24 | 河北工业大学 | 二自由度解耦球面并联机构 |
| CN101006958A (zh) * | 2007-01-23 | 2007-08-01 | 四川大学 | 踝关节康复训练装置 |
| CN105105970A (zh) * | 2015-08-04 | 2015-12-02 | 张明明 | 一种并联踝关节康复机器人及其控制方法 |
| CN105729462A (zh) * | 2016-05-09 | 2016-07-06 | 河北工业大学 | 一种三支链六自由度并联机器人机构 |
| CN106584429A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-04-26 | 浙江理工大学 | 一种驱动固定的两转动一移动并联机构 |
| CN206416162U (zh) * | 2017-01-06 | 2017-08-18 | 张春艳 | 三自由度球面并联脚踝康复治疗机器人 |
| CN207071200U (zh) * | 2017-06-14 | 2018-03-06 | 韶关星火创客科技有限公司 | 一种新型踝关节康复机器人 |
| CN107803820A (zh) * | 2017-10-16 | 2018-03-16 | 清华大学 | 一种三自由度并联机构踝关节康复装置 |
| CN209316388U (zh) * | 2018-06-29 | 2019-08-30 | 中北大学 | 一种球面并联机构脚踝康复装置 |
| CN110434839A (zh) * | 2019-09-16 | 2019-11-12 | 河北工业大学 | 一种含子闭环的四自由度广义球面并联机构 |
| CN110464602A (zh) * | 2019-09-05 | 2019-11-19 | 长沙理工大学 | 一种踝关节康复变胞并联机构 |
| CN111700774A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-09-25 | 河北工业大学 | 一种运动解耦的踝关节拟合机构 |
| WO2020200231A1 (zh) * | 2019-04-01 | 2020-10-08 | 东莞理工学院 | 解耦踝关节康复机器人及完全解耦并联机构 |
| CN112621717A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-04-09 | 中国民航大学 | 一种基于环形导轨的冗余支链并联机构 |
| CN112773667A (zh) * | 2021-01-28 | 2021-05-11 | 河南科技大学 | 一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构 |
| CN113648183A (zh) * | 2021-08-19 | 2021-11-16 | 廊坊瑞立达智能机器有限公司 | 一种踝关节康复训练装置 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7485074B2 (en) * | 2007-04-27 | 2009-02-03 | Zhi-Ting Chen | Ankle therapy apparatus |
| US9532877B2 (en) * | 2011-11-11 | 2017-01-03 | Springactive, Inc. | Robotic device and method of using a parallel mechanism |
| US20180326243A1 (en) * | 2015-11-24 | 2018-11-15 | École De Technologie Supérieure | A cable-driven robot for locomotor rehabilitation of lower limbs |
| WO2019126919A1 (zh) * | 2017-12-25 | 2019-07-04 | 深圳先进技术研究院 | 三自由度并联机构 |
-
2022
- 2022-04-22 CN CN202210431032.1A patent/CN114668629B/zh active Active
Patent Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6497548B1 (en) * | 1999-08-05 | 2002-12-24 | Shambhu Nath Roy | Parallel kinematics mechanism with a concentric sperical joint |
| CN1775487A (zh) * | 2005-12-06 | 2006-05-24 | 河北工业大学 | 二自由度解耦球面并联机构 |
| CN101006958A (zh) * | 2007-01-23 | 2007-08-01 | 四川大学 | 踝关节康复训练装置 |
| CN105105970A (zh) * | 2015-08-04 | 2015-12-02 | 张明明 | 一种并联踝关节康复机器人及其控制方法 |
| CN105729462A (zh) * | 2016-05-09 | 2016-07-06 | 河北工业大学 | 一种三支链六自由度并联机器人机构 |
| CN106584429A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-04-26 | 浙江理工大学 | 一种驱动固定的两转动一移动并联机构 |
| CN206416162U (zh) * | 2017-01-06 | 2017-08-18 | 张春艳 | 三自由度球面并联脚踝康复治疗机器人 |
| CN207071200U (zh) * | 2017-06-14 | 2018-03-06 | 韶关星火创客科技有限公司 | 一种新型踝关节康复机器人 |
| CN107803820A (zh) * | 2017-10-16 | 2018-03-16 | 清华大学 | 一种三自由度并联机构踝关节康复装置 |
| CN209316388U (zh) * | 2018-06-29 | 2019-08-30 | 中北大学 | 一种球面并联机构脚踝康复装置 |
| WO2020200231A1 (zh) * | 2019-04-01 | 2020-10-08 | 东莞理工学院 | 解耦踝关节康复机器人及完全解耦并联机构 |
| CN110464602A (zh) * | 2019-09-05 | 2019-11-19 | 长沙理工大学 | 一种踝关节康复变胞并联机构 |
| CN110434839A (zh) * | 2019-09-16 | 2019-11-12 | 河北工业大学 | 一种含子闭环的四自由度广义球面并联机构 |
| CN111700774A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-09-25 | 河北工业大学 | 一种运动解耦的踝关节拟合机构 |
| CN112621717A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-04-09 | 中国民航大学 | 一种基于环形导轨的冗余支链并联机构 |
| CN112773667A (zh) * | 2021-01-28 | 2021-05-11 | 河南科技大学 | 一种三分支两转动的踝关节康复并联机器人机构 |
| CN113648183A (zh) * | 2021-08-19 | 2021-11-16 | 廊坊瑞立达智能机器有限公司 | 一种踝关节康复训练装置 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| odule combination based configuration synthesis and kinematic analysis of generalized spherical parallel mechanism for ankle rehabilitation;Jianjun Zhang， Chenglei Liu，Teng Liu，Kaicheng Qi，Jianye Niu;《Mechanism and Machine Theory》;全文 * |
| Sigmoid-based hysteresis modeling and high-speed tracking control of SMA-artifical muscle;Zhang Jianjun，Yin Yuehong，Zhu Jianying;《SENSORS AND ACTUATORS A-PHYSICAL》;第201卷;第264-273页 * |
| 一种具有半球工作空间的2-DOF并联机构研究;于庆增;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑（月刊）》(第06期);第C029-3页 * |
| 含子闭环并联机构六维控制器的运动学性能及误差分析;王麟;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑（月刊）》(第03期);第C029-74页 * |
| 踝关节康复并联机器人的运动学分析及仿真;何春燕;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（硕士）信息科技辑》(第05期);第I140-99页 * |
| 面向踝部康复的广义球面并联机构型综合;刘承磊，张建军，戚开诚;《机械工程学报》;第56卷(第19期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114668629A (zh) | 2022-06-28 |
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