欠驱动并联自对齐踝关节康复机器人及其控制方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN116019683A(43)申请公布日2023.04.28(21)申请号202310021071.9(22)申请日2023.01.06(71)申请人东莞理工学院地址523413广东省东莞市松山湖大学路1号(72)发明人曾达幸刘亚邹超鹏卢文娟(74)专利代理机构北京孚睿湾知识产权代理事务所(普通合伙)11474专利代理师刘翠芹(51)Int.Cl.A61H1/02(2006.01)B25J9/00(2006.01)权利要求书4页说明书10页附图4页(54)发明名称欠驱动并联自对齐踝关节康复机器人及其控制方法(57)摘要本发明提供一种欠驱动并联自对齐踝关节康复机器人，其包括定平台、动平台、第一支链、第二支链和第三支链，第一支链、第二支链和第三支链为结构相同的主动自由度和被动自由度解耦并联机构，并联机构为3‑RPPPRR并联机构。其通过三个驱动电机控制第一转动副，从而获得三个转动自由度，通过人体踝关节自主控制，从而获得第三个移动自由度，实现了欠驱动特性；且第四连接件和第五连接件的第五转动副轴线与连接第五连接件和动平台的第六转动副轴线与动平台的轴线交于一点，使该点与脚踝中心重合，实现人机轴线自对齐，解决了人机闭链的欠自由度所导致的人机关节运动轴线存在偏差的超定问题与康复机器人难以适应踝关节转动中心位置变化的问题。CN116019683ACN116019683A权利要求书1/4页1.一种欠驱动并联自对齐踝关节康复机器人，其特征在于：其包括定平台、动平台、第一支链、第二支链和第三支链，所述第一支链、第二支链和第三支链结构相同且均为主动自由度和被动自由度解耦的并联机构，所述并联机构为3‑RPPPRR并联机构，所述第一支链、第二支链和第三支链均包括驱动单元、第一连接件、第二连接件、第三连接件、第四连接件、第五连接件和柔性元件，所述驱动单元包括驱动电机，每一个支链上均设置有一个驱动电机，所述第一连接件与所述定平台通过第一转动副连接，所述第一连接件与第二连接件通过第二移动副连接，所述第二连接件与第三连接件通过第三移动副连接，所述第三连接件与第四连接件通过第四移动副连接，所述第四连接件与第五连接件通过第五转动副连接，所述第五连接件与所述动平台通过第六转动副连接；所述第一转动副轴线与所述第二移动副轴线垂直，所述第二移动副轴线与所述第三移动副轴线垂直，所述第三移动副轴线与所述第四移动副轴线垂直，所述第四移动副轴线与所述第五转动副轴线垂直，所述第五转动副轴线、所述第六转动副轴线分别与动平台的轴线交于一点；驱动电机分别连接定平台和第一支链、第二支链、第三支链的第一连接件，三个驱动电机分别驱动三个第一连接件的第一转动副，当三个驱动电机同时工作时，使动平台跟随该驱动电机进行转动，提供三个转动主动自由度，能够实现背伸/趾屈、内收/外展及内翻/外翻康复训练；使用时，踝关节驱动三个第四连接件，实现三个移动被动自由度；此时，RR轴线和动平台轴线与人体踝关节轴线交于一点，实现人机轴线的实时自对齐，并能够实现同时具有三个主动自由度和三个被动自由度的六自由度，使康复机器人与人体形成的人机闭链转化为运动学恰约束系统。2.根据权利要求1所述的欠驱动并联自对齐踝关节康复机器人，其特征在于：所述柔性元件包括多个柔性件，每一个柔性件的两端分别连接第三连接件与第四连接件。3.根据权利要求1所述的欠驱动并联自对齐踝关节康复机器人，其特征在于：所述动平台绕第五转动副、第六转动副与动平台轴线的交点进行运动，当进行康复训练时，该点与脚踝相交于一点，使踝关节随着动平台进行伴随漂移运动。4.根据权利要求1所述的欠驱动并联自对齐踝关节康复机器人，其特征在于：所述定平台包括定平台机架和定平台绷带，所述动平台包括动平台机架和动平台绷带。5.一种用于权利要求1所述的欠驱动并联自对齐踝关节康复机器人的控制方法，其具体包括以下步骤：S1、构建动平台坐标系：定平台坐标系O‑xyz的x轴、y轴、z轴分别与第一支链、第二支链和第三支链的主驱动副轴线重合，原点O为三条轴线的交点，动平台坐标系O’‑x’y’z’的原点O’为三个分支运动链与动平台直接相连转动副轴线的交点；轴z’由点O’指向动平台的形心C；轴y’位于面O’CO16上，与矢量O’O16方向相反；S2、构建Z轴与运动副轴线重合的局部坐标系：在运动副Oi5和Oi6分别建立局部坐标系Oi5‑xi5yi5zi5和Oi6‑xi6yi6zi6，点Oi5和Oi6与点O’重合，将Oi5和Oi6画于运动副处；各运动副的轴线分别与其对应的局部坐标系zij轴重合，即2CN116019683A权利要求书2/4页S3、对于人体分支运动链，在康复机器人与人体小腿固定连接部分建立静坐标系，其与康复机器人定平台坐标系重合；在人