一种腿部关节康复混联机器人
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，更具体地说，涉及一种腿部关节康复混联机器人。
背景技术
膝踝关节是人体的承重关节且参与运动，极易损伤，其术后康复训练尤为重要。目前，膝踝关节的康复训练主要依赖于康复师的指导训练，而对于用于膝踝关节康复训练的机器人很少有实际应用，无法满足人们居家进行膝关节康复训练的便捷性要求。因此，随着机器人技术的高速发展，设计一种机器人机构用来辅助人们进行膝踝关节的康复训练显得尤为重要。
经检索，中国专利申请号：2014100824800，发明创造名称为：六自由度腿部康复训练机器人，该申请案包括机架、伺服电机、三条运动支链、训练踏板，运动支链通过虎克铰链机构与伺服电机连接，第一伺服电机与虎克铰链机构中的第三转动铰链连接，第三转动铰链通过第二连杆与第二转动铰链连接，第二转动铰链通过第一连杆与第一转动铰链连接，第二伺服电机与虎克铰链机构中的U形件连接；第一转动铰链和第三转动铰链两者的轴线相互垂直并共面，第二转动铰链的轴线与第二伺服电机的轴线相互垂直并共面；第二伺服电机和第一伺服电机两者的轴线呈垂直状态设置。该申请案能够实现X、Y、Z向的转动和移动，通过被动性的康复训练，使患者的腿部肌体得到恢复。
又如中国专利申请号：2017104066020，发明创造名称为：一种踝关节康复训练机器人系统，该申请案包括PUS+S型并联关节训练单元、运动监测与控制单元和腿部支撑单元，其中PUS+S型并联踝关节训练单元，用于提供脚掌的定位和模拟人体踝关节的实际运动对人体受损踝关节进行康复训练；PUS+S型并联关节训练单元包括脚掌定位固定软槽、旋转训练平台、三个以上的PUS型运动支链、中间支柱以及训练单元底座；PUS型运动支链包括球铰链、连接头、连接杆、虎克铰链和虎克铰链支撑座；该申请案康复训练强度可调，运动失稳可控制。
综上所述，目前针对膝踝关节的康复训练机器人设计已有大量公开，但行业内仍需要更为丰富多样、更为实用的新设计。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对目前行业内对关节康复机器人的实际需求越来越高的现状，本发明拟提供一种腿部关节康复混联机器人，能够实现膝关节和踝关节的康复训练运动，达到更好的康复训练效果。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种腿部关节康复混联机器人，包括膝关节并联机构和踝关节混联机构，膝关节并联机构包括上下分布的膝关节静平台和膝关节动平台，膝关节静平台和膝关节动平台之间连接有呈三角分布的膝关节驱动模组一、膝关节驱动模组二和膝关节驱动模组三；膝关节驱动模组二和膝关节驱动模组三的顶部分别通过球铰与膝关节静平台相连；膝关节驱动模组一顶部通过虎克铰与膝关节静平台相连；膝关节驱动模组三的底部通过球铰与膝关节动平台相连，膝关节驱动模组一和膝关节驱动模组二的底部分别通过转动副与膝关节动平台相连；踝关节混联机构设置于膝关节动平台上。
更进一步地，踝关节混联机构包括踝关节并联单元和踝关节固定单元，踝关节固定单元设置于踝关节并联单元顶部，踝关节并联单元底部设置有踝关节静平台，踝关节并联单元包括呈三角分布的踝关节驱动模组一、踝关节驱动模组二和踝关节驱动模组三，踝关节驱动模组一和踝关节驱动模组二的顶部分别通过球铰与踝关节固定单元相连，踝关节驱动模组一和踝关节驱动模组二的底部分别通过虎克铰与踝关节静平台相连；踝关节驱动模组三顶部通过虎克铰与踝关节固定单元相连，踝关节驱动模组三底部通过踝关节连接板与踝关节静平台相连。
更进一步地，踝关节混联机构还包括踝关节旋转单元，踝关节旋转单元包括伺服电机、驱动轴，以及设置于膝关节动平台上的安装支架，伺服电机设置于安装支架上，且伺服电机的输出端连接有齿轮一，驱动轴的底端设置有与齿轮一啮合的齿轮二，驱动轴转动配合穿过安装支架并顶部与踝关节静平台相连。
更进一步地，伺服电机的输出端通过涨紧套与齿轮连接块相连接，齿轮连接块上连接有齿轮一。
更进一步地，驱动轴通过关节轴承固定在安装支架上，驱动轴的底部通过螺钉连接齿轮二。
更进一步地，踝关节混联机构设置于膝关节动平台的中部位置。
更进一步地，踝关节驱动模组一、踝关节驱动模组二和踝关节驱动模组三的安装位置位于等腰直角三角形的三个端点上，其中踝关节驱动模组三位于该等腰直角三角形的直角顶点位置，踝关节驱动模组一和踝关节驱动模组二分别位于该等腰直角三角形的斜边端点位置。
更进一步地，踝关节驱动模组一、踝关节驱动模组二和踝关节驱动模组三安装位置分布形成的等腰直角三角形，其斜边的中点位置轴线位置与驱动轴所在的轴线位置重合。
更进一步地，膝关节驱动模组一、膝关节驱动模组二和膝关节驱动模组三呈120°间隔对称安装布置。
更进一步地，膝关节驱动模组一的底部通过膝关节转动副二与膝关节动平台相连，膝关节驱动模组二的底部通过膝关节转动副一与膝关节动平台相连，膝关节转动副一与膝关节转动副二均与膝关节动平台的边沿垂直安装。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种腿部关节康复混联机器人，包括膝关节并联机构和踝关节混联机构两部分，膝关节并联机构所具有的三个自由度和踝关节混联机构所具有的四个自由度可同时实现髋膝关节和踝关节的康复训练运动。
(2)本发明的一种腿部关节康复混联机器人，膝关节并联机构具有的两个转动自由度可模拟髋膝关节的转动运动，踝关节混联机构具有的三个转动自由度可模拟踝关节的转动运动，垂直于整体机架的平动自由度可在转动康复运动时配合运动，从而提高腿部的运动舒适性。
(3)本发明的一种腿部关节康复混联机器人，具有运动范围可调性较大、结构精简、成本较低、占用空间小和工作平稳等特点，可大量应用于医疗膝关节康复训练场合。
附图说明
图1为本发明的腿部关节康复混联机器人的结构示意图；
图2为本发明的腿部关节康复混联机器人的结构示意图；
图3为本发明中膝关节并联机构局部结构示意图；
图4为本发明中踝关节混联机构结构示意图；
图5为本发明中踝关节混联机构局部示意图；
图6为本发明中踝关节旋转单元结构示意图；
图7为本发明中踝关节旋转单元剖视示意图；
图8为本发明中踝关节混联机构铰链位置布局示意图。
示意图中的标号说明：
100、膝关节并联机构；200、踝关节混联机构；
101、膝关节静平台；102、膝关节驱动模组一；103、膝关节动平台；104、膝关节驱动模组二；105、膝关节驱动模组三；106、膝关节虎克铰；107、膝关节连接板一；108、膝关节球铰一；109、膝关节连接板二；110、膝关节球铰二；111、膝关节连接板三；112、膝关节转动副一；113、膝关节转动副二；114、膝关节球铰三；
201、踝关节并联单元；202、踝关节旋转单元；203、踝关节固定单元；204、踝关节球铰一；205、踝关节驱动模组一；206、踝关节虎克铰一；207、踝关节球铰二；208、踝关节虎克铰二；209、踝关节驱动模组二；210、踝关节驱动模组三；211、踝关节虎克铰三；212、踝关节连接板；213、踝关节静平台；214、伺服电机；215、齿轮一；216、安装支架；217、驱动轴；218、齿轮二；219、涨紧套；220、齿轮连接块；221、关节轴承。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
如图1-图8所示，本实施例的一种腿部关节康复混联机器人，包括膝关节并联机构100和踝关节混联机构200，其中膝关节并联机构100包括上下分布的膝关节静平台101和膝关节动平台103，膝关节静平台101和膝关节动平台103之间连接有呈三角分布的膝关节驱动模组一102、膝关节驱动模组二104和膝关节驱动模组三105；膝关节驱动模组二104和膝关节驱动模组三105的顶部分别通过球铰与膝关节静平台101相连；膝关节驱动模组一102顶部通过虎克铰与膝关节静平台101相连；膝关节驱动模组三105的底部通过球铰与膝关节动平台103相连，膝关节驱动模组一102和膝关节驱动模组二104的底部分别通过转动副与膝关节动平台103相连；踝关节混联机构200设置于膝关节动平台103上。
具体地，如图2所示，膝关节静平台101设置为中间板向外分散延伸三段连杆，每段连杆对应与一个驱动模组相连；其中膝关节驱动模组一102顶部设有膝关节连接板一107，膝关节连接板一107通过膝关节虎克铰106与膝关节静平台101的一端相连，膝关节驱动模组一102底部通过膝关节转动副二113与膝关节动平台103相连；膝关节驱动模组二104的顶部设有膝关节连接板三111，膝关节连接板三111通过膝关节球铰二110与膝关节静平台101的一端相连，膝关节驱动模组二104的底部通过膝关节转动副一112与膝关节动平台103相连；膝关节驱动模组三105的顶部设有膝关节连接板二109，膝关节连接板二109通过膝关节球铰一108与膝关节静平台101的一端相连，膝关节驱动模组三105的底部通过膝关节球铰三114与膝关节动平台103相连。其中膝关节驱动模组一102、膝关节驱动模组二104和膝关节驱动模组三105呈120°间隔对称安装布置，如图3所示，即膝关节转动副一112、膝关节转动副二113和膝关节球铰三114之间呈120°间隔并对称分布，膝关节动平台103设置为正六边形结构，在边沿均匀间隔设置三组支撑板用于安装膝关节转动副一112、膝关节转动副二113和膝关节球铰三114，膝关节转动副一112与膝关节转动副二113均与膝关节动平台103的边沿垂直安装。膝关节驱动模组一102可驱动膝关节动平台103实现绕膝关节静平台101的前后摆动；膝关节驱动模组二104和膝关节驱动模组三105可实现膝关节动平台103绕膝关节静平台101的左右摆动，从而实现膝关节的康复运动。
如图4所示，踝关节混联机构200包括踝关节并联单元201和踝关节固定单元203，踝关节固定单元203设置于踝关节并联单元201顶部，踝关节并联单元201底部设置有踝关节静平台213，踝关节并联单元201包括呈三角分布的踝关节驱动模组一205、踝关节驱动模组二209和踝关节驱动模组三210，踝关节驱动模组一205和踝关节驱动模组二209的顶部分别通过球铰与踝关节固定单元203相连，踝关节驱动模组一205和踝关节驱动模组二209的底部分别通过虎克铰与踝关节静平台213相连；踝关节驱动模组三210顶部通过虎克铰与踝关节固定单元203相连，踝关节驱动模组三210底部通过踝关节连接板212与踝关节静平台213相连。
具体地，如图5所示，踝关节驱动模组一205的顶部通过踝关节球铰一204与踝关节固定单元203相连，踝关节驱动模组一205的底部通过踝关节虎克铰一206与踝关节静平台213相连；踝关节驱动模组二209的顶部通过踝关节球铰二207与踝关节固定单元203相连，踝关节驱动模组二209的底部通过踝关节虎克铰三211与踝关节静平台213相连；踝关节驱动模组三210的顶部通过踝关节虎克铰二208与踝关节固定单元203相连，踝关节驱动模组三210的底部通过踝关节连接板212与踝关节静平台213相连。
如图8所示，本实施例中踝关节驱动模组一205、踝关节驱动模组二209和踝关节驱动模组三210的安装位置位于等腰直角三角形的三个端点上，其中踝关节驱动模组三210位于该等腰直角三角形的直角顶点位置，踝关节驱动模组一205和踝关节驱动模组二209分别位于该等腰直角三角形的斜边端点位置。
如图6和图7所示，本实施例中踝关节混联机构200还包括踝关节旋转单元202，踝关节旋转单元202包括伺服电机214、驱动轴217，以及设置于膝关节动平台103上的安装支架216，伺服电机214设置于安装支架216上，且伺服电机214的输出端连接有齿轮一215，驱动轴217的底端设置有与齿轮一215啮合的齿轮二218，驱动轴217转动配合穿过安装支架216并顶部与踝关节静平台213相连。具体地，伺服电机214的输出端通过涨紧套219与齿轮连接块220相连接，齿轮连接块220上连接有齿轮一215。驱动轴217通过关节轴承221固定在安装支架216上，驱动轴217的底部通过螺钉连接齿轮二218。
本实施例中踝关节驱动模组一205、踝关节驱动模组二209和踝关节驱动模组三210安装位置分布形成的等腰直角三角形，其斜边的中点位置轴线位置与驱动轴217所在的轴线位置重合。即从俯视角度看，驱动轴217的轴心位于等腰直角三角形斜边的中点上，为踝关节混联机构200提供一个中心旋转自由度。本实施例中的驱动模组均可采用电缸驱动模组，在此不再赘述。
本实施例中踝关节混联机构200设置于膝关节动平台103的中部位置，通过各电缸驱动模组的配合运动可实现绕着踝关节固定单元203平面的两个转动自由度，踝关节旋转单元202可提供绕着垂直于踝关节静平台213轴的转动自由度，从而实现踝关节的康复训练。
本实施例中膝关节并联机构100主要用于对髋膝关节进行康复运动，两个转动自由度可用来实现膝关节的屈伸和髋关节的收展两个转动康复训练，移动自由度可配合转动训练实现腿部整体的上下移动；踝关节混联机构200主要用于对踝关节进行康复运动，提供三个转动自由度和一个移动自由度，其中三个转动自由度分别用于实现踝关节的背伸和趾屈、内翻和外翻、内收与外展的康复训练，移动自由度配合转动自由度太纵横踝关节的高度实现整体的牵伸运动。且本实施例的机器人可采用伺服系统的力位混合控制模式实现机构运动，可根据康复需求个性化设置机构运动幅度与力度，并且能够根据膝踝关节的恢复程度与腿部长度定制化机器人的运动路径和范围，操作及运动参数调节可采用人机界面，操作灵活，可在医疗康复领域广泛应用。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
