一種可在3urs和2rrs/urs兩種構(gòu)型之間轉(zhuǎn)換的下肢康復(fù)機器人機構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及變胞機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)，基于變胞原理完成并聯(lián)機構(gòu)兩種構(gòu)型的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)不同自由度輸出，可應(yīng)用于康復(fù)機器人領(lǐng)域，滿足患者康復(fù)不同階段的運動需求。
【背景技術(shù)】
[0002]下肢康復(fù)機器人主要用于輔助由于中風(fēng)、腦損傷等神經(jīng)中樞受損造成的偏癱、癱瘓等行走功能障礙患者急性期過后的運動康復(fù)訓(xùn)練?？祻?fù)機器人被穿戴在人體身上，輸出一定的運動，與人體運動配合，為患者提供助力，實現(xiàn)其生理機能的康復(fù)。目前，應(yīng)用于人體的髖關(guān)節(jié)康復(fù)機構(gòu)構(gòu)型單一、可控自由度少、與人體運動相容性低，使得人體穿戴后舒適性差，并且難以滿足患者在康復(fù)不同階段對髖關(guān)節(jié)不同運動輸出的需求，難以達到良好的康復(fù)效果。
[0003]為實現(xiàn)病人在不同階段進行多種形式康復(fù)運動的需求，康復(fù)機器人機構(gòu)應(yīng)該能夠根據(jù)患者康復(fù)需求變換構(gòu)型，實現(xiàn)不同的運動輸出，達到更好的康復(fù)效果。變胞機構(gòu)(Metamorphic Mechanism),可以定義為能在瞬時使某些構(gòu)件發(fā)生合并/分離、或出現(xiàn)幾何奇異，并使機構(gòu)有效構(gòu)件數(shù)或自由度數(shù)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生新構(gòu)型的機構(gòu)。變胞機構(gòu)這一新型的機構(gòu)是在1998年在亞特蘭大召開的第25屆ASME機構(gòu)學(xué)與機器人學(xué)雙年會上由戴建生和J Rees Jones首次發(fā)表其概念，目前已經(jīng)在機器人領(lǐng)域取得了很多應(yīng)用成果，如變胞車輪、變胞機械手、水下變胞機器人等。
[0004]并聯(lián)機構(gòu)是動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)。并聯(lián)機構(gòu)具有剛度大、承載能力強、誤差小、精度高、自重符合比小、動力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點，因此將并聯(lián)機構(gòu)與變胞機構(gòu)結(jié)合，設(shè)計一種可應(yīng)用于人體下肢康復(fù)的新型機構(gòu)是非常有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明設(shè)計一種應(yīng)用于人體髖關(guān)節(jié)的可在3URS和2RRS/URS兩種構(gòu)態(tài)之間轉(zhuǎn)換的下肢康復(fù)機器人機構(gòu)，具有多自由度切換和多功能等特性，可根據(jù)患者不同康復(fù)需求變換自身構(gòu)型實現(xiàn)不同自由度輸出，完成相應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練動作。
[0006]本發(fā)明所述的可在3URS和2RRS/URS兩種構(gòu)態(tài)之間轉(zhuǎn)換的下肢康復(fù)機器人機構(gòu)，包括對稱布置在基座兩側(cè)的兩個單側(cè)并聯(lián)式變胞機構(gòu)，以其中的一個單側(cè)并聯(lián)式變胞機構(gòu)為例，所述的單側(cè)并聯(lián)式變胞機構(gòu)具有兩種構(gòu)態(tài)，兩種構(gòu)態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換。構(gòu)態(tài)一的構(gòu)型是3URS，構(gòu)態(tài)二的構(gòu)型是2RRS/URS。構(gòu)態(tài)一表示連接運動平臺和基座的三個并聯(lián)運動鏈中，每條運動鏈都是由一個虎克鉸U、一個轉(zhuǎn)動副R和一個球副S串聯(lián)組成。構(gòu)態(tài)二表示連接運動平臺和基座的三個并聯(lián)運動鏈中，其中兩條運動鏈由兩個轉(zhuǎn)動副R和一個球副S串聯(lián)組成，另一條運動鏈由一個虎克鉸U、一個轉(zhuǎn)動副R和一個球副S串聯(lián)組成。將人體髖關(guān)節(jié)作為機構(gòu)的一部分，看做一個球鉸S與基座連接，所述基座與人體腰部為一個整體，人體髖關(guān)節(jié)與人體大腿骨骼是一個整體，具有三自由度的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動中心為人體髖關(guān)節(jié)中心。此時將人體髖關(guān)節(jié)考慮進去時，構(gòu)態(tài)一具有三自由度轉(zhuǎn)動的自由度，轉(zhuǎn)動中心為人體髖關(guān)節(jié)；構(gòu)態(tài)二具有單自由度轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動軸與人體冠狀軸(通過人體左右面并與地面平行的軸)平行并且通過髖關(guān)節(jié)中心。
[0007]所述的單側(cè)并聯(lián)式變胞機構(gòu)，包括一個運動平臺和三個運動鏈，分別為第一運動鏈、第二運動鏈和第三運動鏈，所述的三個運動鏈連接在運動平臺與基座之間，每個運動鏈上連接電機用于驅(qū)動運動鏈的運動。其中，基座是個中間空心的部件，人體腰部從中穿戴進去，并與基座固定在一起。運動平臺與人體大腿通過綁帶連接在一起，運動平臺的運動帶動人體大腿運動。當(dāng)所述的單側(cè)并聯(lián)式變胞機構(gòu)處于構(gòu)態(tài)一時，并聯(lián)式變胞機構(gòu)帶動人體大腿繞人體髖關(guān)節(jié)做三自由度轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)各個方向的助力；當(dāng)機構(gòu)處于構(gòu)態(tài)二時，并聯(lián)式變胞機構(gòu)帶動人體大腿繞人體髖關(guān)節(jié)做單自由度轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)人體矢狀面內(nèi)的屈伸運動。
[0008]所述的三個運動鏈的結(jié)構(gòu)相同，均包括上連桿I和下連桿II，所述的上連桿I和下連桿II之間通過轉(zhuǎn)動副連接，上連桿I另一端連接一個虎克鉸，虎克鉸支座連接到基座；下連桿II另一端連接一個球鉸，球鉸通過球鉸基座與運動平臺連接。三條運動鏈中，第一運動鏈和第二運動鏈的虎克鉸中與虎克鉸支座相連的轉(zhuǎn)動軸A與人體矢狀軸(通過人體前后面并與地面平行的軸)平行，第三運動鏈的虎克鉸中與虎克鉸支座相連的轉(zhuǎn)動軸A與人體矢狀軸夾角為45度。在每個運動鏈的虎克鉸的轉(zhuǎn)動軸B上均連接一個電機，所述電機安裝位置靠近人體腰部附近，分別驅(qū)動每條運動支鏈的U副中的一個轉(zhuǎn)動副，該構(gòu)態(tài)屬于構(gòu)態(tài)一。
[0009]第一運動鏈和第二運動鏈的虎克鉸中的轉(zhuǎn)動軸A上有螺紋孔A，相應(yīng)的虎克鉸支座上有螺紋孔B，螺栓穿過所述的螺紋孔B和螺紋孔A，將所述的虎克鉸支座和轉(zhuǎn)動軸A之間的相對運動鎖定，此時虎克鉸變?yōu)閱巫杂啥绒D(zhuǎn)動的鉸鏈；將螺栓去掉后，轉(zhuǎn)動軸A可以自由轉(zhuǎn)動，此時為構(gòu)態(tài)一。構(gòu)態(tài)二必須要保證的是:第一運動鏈和第二運動鏈的虎克鉸處剩下的兩個轉(zhuǎn)動軸的軸線都與人體的冠狀軸平行，此時連接上連桿I的轉(zhuǎn)動副與人體的冠狀軸平行。當(dāng)鎖定上述虎克鉸中的轉(zhuǎn)動軸A后，機構(gòu)變?yōu)闃?gòu)態(tài)二。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0011]1、本發(fā)明通過將第一運動鏈和第二運動鏈的虎克鉸中的一個轉(zhuǎn)動軸的鎖定與解鎖兩種狀態(tài)，完成兩種不同并聯(lián)構(gòu)型的切換，實現(xiàn)運動平臺不同的運動輸出，針對患者不同需求進行助力和康復(fù)。
[0012]2、本發(fā)明將人體髖關(guān)節(jié)考慮成了機構(gòu)的一部分，單自由度轉(zhuǎn)動與三自由度轉(zhuǎn)動均繞髖關(guān)節(jié)中心運動，不會與人體自身的運動發(fā)生干涉，有利于康復(fù)過程。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明一種下肢康復(fù)機器人機構(gòu)的單側(cè)并聯(lián)式變胞機構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是本發(fā)明一種下肢康復(fù)機器人機構(gòu)的單側(cè)并聯(lián)式變胞機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)俯視圖(隱藏基座)；
[0015]圖3是本發(fā)明一種下肢康復(fù)機器人機構(gòu)的虎克鉸十字形芯軸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4A和圖4B是本發(fā)明一種下肢康復(fù)機器人機構(gòu)的構(gòu)態(tài)轉(zhuǎn)換機構(gòu)示意圖。
[0017]圖中:
[0018]1-基座；2-運動平臺；3-第一運動鏈； 4-第二運動鏈；
[0019]5-第三運動鏈；6-螺栓；7-上連桿I ;8-下連桿II ；
[0020]9-虎克鉸； 10-球鉸；11-人體髖關(guān)節(jié)； 12-人體大腿骨骼；
[0021]901-虎克鉸十字形芯軸；902-虎克鉸支座；903-轉(zhuǎn)動軸A ;904_轉(zhuǎn)動軸B ；
[0022]905-螺紋孔A ; 906-螺紋孔B。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0024]本發(fā)明提供一種可在3URS和2RRS/URS兩種構(gòu)型之間轉(zhuǎn)換的下肢康復(fù)機器人機構(gòu)，是一個髖關(guān)節(jié)的康復(fù)變胞機構(gòu)。
[0025]所述的下肢康復(fù)機器人機構(gòu)具有兩種構(gòu)型，本發(fā)明中將人體髖關(guān)節(jié)11考慮為一個具有三自由度轉(zhuǎn)動的球鉸，與安裝在人體外側(cè)的兩個單側(cè)并聯(lián)式變胞機構(gòu)構(gòu)成一個整體，實現(xiàn)對人體髖關(guān)節(jié)11進行助力，完成人體下肢康復(fù)動作。
[0026]本發(fā)明提供的可在3UPS和2RRS/URS兩種構(gòu)型之間轉(zhuǎn)換的下肢康復(fù)機器人機構(gòu)，包括相對人體髖關(guān)節(jié)11對稱的連接在基座I上的兩個單側(cè)并聯(lián)式變胞機構(gòu)，如圖1所示，所述的單側(cè)的并聯(lián)式變胞機構(gòu)分別位于人體左腿外側(cè)或右腿外側(cè)，人體大腿骨骼12穿過每個并聯(lián)式變胞機構(gòu)的運動平臺并固定。固定方式可以選擇綁帶的方式。所述的兩個單側(cè)并聯(lián)式變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，下面僅以一個單側(cè)并聯(lián)式變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)進行說明。
[0027]如圖1所示，所述的單側(cè)并聯(lián)式變胞機構(gòu)包括一個運動平臺2和三條運動鏈，每個運動鏈上連接一個電機，提供驅(qū)動力。所述的運動平臺2通過三條運動鏈連接在基座I上?；鵌和運動平臺2均通過柔軟的綁帶與人體相連，基座I與人體的腰部相連，兩個運動平臺2分別與人體的左腿和右腿的大腿相連，即人體穿戴該下肢康復(fù)機器人機構(gòu)，腰部處于基座I中間的空心處，人體的左腿和右腿的大腿分別處于兩個運動平臺2之間的空心處，人體髖關(guān)節(jié)11看做一個球鉸。
[0028]所述的三條運動鏈，分別為第一運動鏈3、第二運動鏈4和第三運動鏈5。第一運動鏈3、第二運動鏈4和第三運動鏈5結(jié)構(gòu)相同。以第一運動鏈3為例，所述的第一運動鏈3包括上連桿17和下連桿118，所述的上連桿17和下連桿118之間通過轉(zhuǎn)動副連接，上連桿17的另一端和虎克鉸9的一個轉(zhuǎn)動軸B904固定相連，下連桿118的另一端和球鉸10固定相連?；⒖算q9，如圖3和圖4所示，包括虎克鉸十字形芯軸901和虎克鉸支座902，虎克鉸十字形芯軸901的兩個轉(zhuǎn)動軸(轉(zhuǎn)動軸A903和轉(zhuǎn)動軸B904)兩端分別與虎克鉸支座902和上連桿17相連，使得所述的虎克鉸支座902可以繞轉(zhuǎn)動軸A903轉(zhuǎn)動，所述的上連桿17可以繞轉(zhuǎn)動軸B9