[發明專利]一種新型踝關節康復機器人其控制方法

有效

• 申請號: 201710445971.0
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN107050763B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 魏志麗;葉暉;李福運;胡慶國;李梓明
• 申請（專利權）人: 韶關星火創客科技有限公司
• 主分類號: A63B23/08
• 分類號: A63B23/08;A63B21/02;A63B24/00;A63B71/06
• 代理公司: 韶關市雷門專利事務所(普通合伙) 44226
• 代理人: 周勝明

1.一種新型踝關節康復機器人，其特征在于：包括電控箱、基座、驅動電機、編碼器、3-RRR球面機構及腳部踏板；其中，3-RRR球面機構位于底部基座及上方腳部踏板之間，3-RRR球面機構具有三條相同的運動支鏈，每條支鏈由三個轉動副和兩個連桿組成，該3-RRR球面機構是一種典型的球面并聯機構，具有三個純轉動自由度，且各轉動軸線交于一點，該點是3-RRR球面機構的轉動中心O點，每條運動支鏈的各個轉動副軸線也交于O點，首先，在轉動中心O點處建立固連于靜平臺的靜坐標系OX₀Y₀Z₀，X₀指向靜平臺的法線方向向上，Z₀指向O點與運動支鏈靠近靜平臺的轉動副中心連續在靜平臺上的投影方向，Y₀由右手定則確定，其次，在同樣在轉動中心O點處建立固連于動平臺的動坐標系OX₀'Y₀'Z₀'，該坐標系會隨著動平臺的運動而運動，在初始位置，動坐標系與靜坐標系重合；定義方向矢量u_i(i=1,2,3)，指向運動支鏈i中連架桿與靜平臺之間轉動副的軸線方向；定義v_i(i=1,2,3)，指向運動支鏈i中連桿與動平臺之間的轉動副的軸線方向；定義w_i(i=1,2,3)，指向同一運動支鏈上兩連桿之間轉動副的軸線方向；

所述3-RRR球面機構具有一個靜平臺和一個動平臺，基座與3-RRR球面機構的靜平臺固定相連，動平臺則與腳部踏板固定相連；

所述運動支鏈靠近靜平臺的連桿為連架桿；

因為三條運動支鏈完全相同，所以對其結構參數研究時，可以將3-RRR機構的簡化為一條支鏈作為研究對象，單條運動支鏈共有四個結構參數：

α₁——連架桿兩端轉動副軸線的夾角；

α₂——連桿兩端轉動副軸線的夾角；

β₁——方向矢量u_i與靜平臺法線方向OH的夾角；

β₂——方向矢量v_i與靜平臺法線方向OH'的夾角；

這些結構參數對機構的工作空間、靈活度產生影響，為了獲得較好的靈活度指標，同時考慮到機構對稱性，對四個參數進行尺寸綜合，確定優化結果為α₁=90°，α₂=90°，β₁=54°，β₂=54°，此時3-RRR球面機構呈現正交特點，方向矢量v_i垂直于w_i；

將各條運動支鏈的驅動輸入定義為θ_i(i=1,2,3)，因為3-RRR球面機構為純轉動機構，可用歐拉角表示其動平臺的姿態角，采用ZXY歐拉角[?,θ,ψ]來表示姿態，動坐標系OX₀'Y₀'Z₀'相對于靜坐標系OX₀Y₀Z₀的坐標變換過程為：

（1）坐標系OX₀Y₀Z₀繞X₀轉動?角，得到中間坐標系OX₁Y₁Z₁；

（2）坐標系OX₁Y₁Z₁繞X₁軸轉動θ角，得到中間坐標系OX₂Y₂Z₂；

（3）坐標系OX₂Y₂Z₂繞Y₂軸轉動ψ角，得到動坐標系OX₀'Y₀'Z₀'；

由以上變換過程可以寫出從定坐標系OX₀Y₀Z₀系到動坐標系OX₀'Y₀'Z₀'的旋轉矩陣R_E：

。

2.如權利要求1所述新型踝關節康復機器人，其特征在于：在3-RRR球面并聯結構中還增加了一條支鏈，由一個球運動副組成，球鉸的中心與3-RRR球面機構的轉動中心重合，該支鏈并無驅動，主要用于優化機構剛度，增加承載能力。