CN103816029B - 六自由度腿部康复训练机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种康复训练机器人，特别是一种六自由度腿部康复训练机器人。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。本发明与现有技术相比，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种康复训练机器人，特别是一种六自由度腿部康复训练机器人。
背景技术
随着人口老龄化以及由疾病和灾难等造成的腿部瘫痪的患者增加，而医学理论证明，患者不仅需要早期的手术治疗和药物治疗，而且科学的、正确的康复训练对于恢复腿部关节的运动功能有着及其重要且不可代替的作用。六自由度腿部康复训练机器人，在偏瘫患者初期进行康复训练，可以有效的防止关节挛缩，维持关节的活动度，提高患者的腿部关节运动功能的康复程度，及早实现腿部关节机能的恢复。
目前针对于腿部关节康复训练的康复机构，主要是膝关节和踝关节的康复训练，其康复训练活动范围小，只有很少部分的患者能得到充分的治疗。而从运动原理上看，人体的腿部关节可视为一个具有六个自由度的关节运动单元，因此，为了全面有效地实现腿部的被动康复训练，腿部康复训练机器人应具有六自由的运动能力，可以实现腿部全面的康复活动。
综上所述，现有的腿部康复机器人存在康复训练的活动空间小，机构复杂，价格昂贵，制造成本高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够达到腿部所需运动空间的六自由度腿部康复训练机器人。
本发明采用如下技术方案：
一种六自由度腿部康复训练机器人，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。
采用上述技术方案的本发明与现有技术相比，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，并且，该腿部训练机器人具有结构简单，成本低廉的优点。
本发明采用如下技术方案：
第三转动铰链通过传动机构与第一伺服电机连接，第一伺服电机安装在机架的下方。
第一伺服电机和第二伺服电机分别通过第一电机安装座和第二电机安装座与机架连接。
运动支链中的第一运动支链和第二运动支链的结构相同，第一运动支链中的第一上连杆的上端连接球铰，第一上连杆的下端通过第四转动铰链与第一下连杆的一端连接，第一下连杆的另一端通过第五转动铰链与虎克铰链机构中的虎克铰链支座连接。
运动支链中的第三运动支链通过下球铰链与连接板连接，下球铰链与第二上连杆的一端连接，第二上连杆通过移动铰链与第二下连杆连接，第二下连杆的下端与第六转动铰链连接，第六转动铰链与虎克铰链机构中的虎支铰链支座连接。
第二伺服电机和第一伺服电机分别设置为三个，三个伺服电机三者的转动轴线相交并呈等边三角形结构；三个伺服电机三者的转动轴线相交于一点。
虎克铰链机构中的U形件通过联轴器与第二伺服电机连接，U形叉通过第七转动铰链与虎克铰链支座连接。
第三转动铰链与传动机构中的第一转轴连接，第一转轴上装有大带轮，大带轮通过皮带与小带轮连接，小带轮通过第一联轴器与第一伺服电机连接。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是虎克铰链支座的结构示意图。
图3是第一运动支链的结构示意图。
图4是第三运动支链的结构示意图。
图5是训练踏板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详述本发明：
一种六自由度腿部康复训练机器人，参见附图1至附图5，图中：机架1、支座101、第一运动支链2、第二运动支链3、训练踏板4、第三运动支链5、第一伺服电机6、第一联轴器7、第一电机安装座8、虎克铰链机构9、传动机构10、第二伺服电机11、第二联轴器12、第二电机安装座13、球铰14、第一上连杆15、第四转动铰链16、第一下连杆17、第五转动铰链18、下球铰链19、第二上连杆20、移动铰链21、第二下连杆22、第六转动铰链23、第七转动铰链24、U形件25、虎克铰链支座26、第三转动铰链28、第二连杆29、大带轮30、第一转轴31、皮带32、小带轮33、第二转轴34、第一连杆35、第一转动铰链36、第二转动铰链37、脚板固定件38、连接板39。
本实施例中，机架1的主体呈等边三角形结构，主体的三个角上设置有竖直向上的支座101，传动机构10中的转轴31置于支座101上。
机架1上装有三个虎克铰链机构，三个虎克铰链机构的转动中心位于同一圆周上并且呈间隔120度设置（三个虎克铰链机构的转动中心呈等边三角形分布）。虎克铰链机构9中的U形件25与第二伺服电机11通过第二联轴器12连接。
运动支链通过虎克铰链机构9与伺服电机连接，虎克铰链机构9由U形件25、第一连杆35、第二连杆29、虎克铰链支座26等组成；第一伺服电机6与虎克铰链机构9中的第三转动铰链28连接，第三转动铰链28通过第二连杆29与第二转动铰链37连接，第二转动铰链37通过第一连杆29与第一转动铰链36连接，第一转动铰链36与虎克铰链支座26连接。
虎克铰链机构9中的虎克铰链支座26与U形件25通过第七转动铰链24连接，U形叉25通过联轴器12与伺服电机11固定连接。
第一转动铰链36和第三转动铰链28两者的轴线相互垂直并位于同一水平面上，第二转动铰链37的轴线与第二伺服电机11的轴线相互垂直并位于同一垂直面上；第二伺服电机11和第一伺服电机6两者的轴线呈垂直状态设置。
传动机构10中的第二转轴34上的大带轮30通过皮带32与小带轮33连接，小带轮33通过第一联轴器7与第一伺服电机6连接。第一伺服电机6通过第一电机安装座8安装在机架1的下方。
第二伺服电机11通过第二电机安装座13安装在机架1的上方。通过电机安装座将伺服电机与机架1连接，能够大大减小由于伺服电机运动而引起的惯性冲击力，这种安装方式使伺服电机具有良好的可控性。
运动支链中的第一运动支链2和第二运动支链3的结构相同，第一运动支链2中的第一上连杆15的上端连接球铰14，球铰14与连接板39连接。第一上连杆15的下端通过第四转动铰链16与第一下连杆17的一端连接，第一下连杆17的另一端通过第五转动铰链18与虎克铰链机构9中的虎克铰链支座26连接；第四转动铰链16的轴线与第二伺服电机11的轴线相平行。第二运动支链2和第三运动支链3中的转动铰链分别与各自所连接的伺服电机的轴线相平行。
第三运动支链5的一端通过下球铰链19与连接板39连接。下球铰链19和两个球铰链14，三者的连线呈等边三角形结构。连接板39上装有训练踏板4，训练踏板4依照人体的脚结构特点而制成的，训练踏板4上装有脚板固定件38，脚板固定件38将康复者的脚固定在本机上，从而通过训练脚板带动康复患者实行康复训练。
下球铰链19与第二上连杆20的一端固定连接，第二上连杆20通过移动铰链21与第二下连杆22连接，第二下连杆22的下端与第六转动铰链23连接，第六转动铰链23与虎克铰链机构9中的虎支铰链支座26连接；第二上连杆20和第二下连杆21两者构成的移动副轴线垂直于第二转动铰链28和第一转动铰链36构成的水平面。
第二伺服电机11和第一伺服电机6分别设置为三个，三个第二伺服电机11三者的转动轴线相交并呈等边三角形结构；三个第一伺服电机6三者的转动轴线相交于一点。这种安装方式使腿部康复机器人中构件的运动不受伺服电机的干涉。
第一伺服电机6的电机转轴通过第一联轴器7将小带轮33的第二转轴34固联，小带轮33带动大带轮30的第一转轴31运动，大带轮30的第一转轴31通过第三转动铰链28带动第一连杆29运动，第一连杆29通过第二转动铰链37带动第二连杆35运动，第二连杆35通过第一转动铰链36带动虎克铰链支座26运动从而达到传递动力的作用。
本实施例能够实现绕X、Y、Z轴的姿态转动及沿X、Y、Z轴的移动，真实模拟人体腿部的多自由度复杂运动，帮助患者更好的进行下肢康复训练。
每条运动支链在两个伺服电机的共同作用下驱动虎克铰链机构实现运动，这样就可以通过六个伺服电机实现空间六自由度的康复训练要求。每个伺服电机分别通过控制中心的编码器、传感器等电子原器件进行控制。
Claims (5)
1.一种六自由度腿部康复训练机器人，包括机架、第一伺服电机、第二伺服电机、第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、训练踏板，其特征在于：第一伺服电机通过传动机构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；第一运动支链和第二运动支链的结构相同，第一运动支链中的第一上连杆的上端连接球铰，第一上连杆的下端通过第四转动铰链与第一下连杆的一端连接，第一下连杆的另一端通过第五转动铰链与虎克铰链机构中的虎克铰链支座连接；第三运动支链通过下球铰链与连接板连接，连接板上装有训练踏板；下球铰链与第二上连杆的一端连接，第二上连杆通过移动铰链与第二下连杆连接，第二下连杆的下端与第六转动铰链连接，第六转动铰链与虎克铰链机构中的虎克铰链支座连接；第二伺服电机和第一伺服电机分别设置为三个，三个第二伺服电机三者的转动轴线相交并呈等边三角形结构；三个第一伺服电机三者的转动轴线相交于一点。
2.根据权利要求1所述的六自由度腿部康复训练机器人，其特征在于：第三转动铰链通过传动机构与第一伺服电机连接，第一伺服电机安装在机架的下方。
3.根据权利要求1所述的六自由度腿部康复训练机器人，其特征在于：第一伺服电机和第二伺服电机分别通过第一电机安装座和第二电机安装座与机架连接。
4.根据权利要求1所述的六自由度腿部康复训练机器人，其特征在于：虎克铰链机构中的U形件通过第二联轴器与第二伺服电机连接，U形件通过第七转动铰链与虎克铰链支座连接。
5.根据权利要求1所述的六自由度腿部康复训练机器人，其特征在于：第三转动铰链与传动机构中的第一转轴连接，第一转轴上装有大带轮，大带轮通过皮带与小带轮连接，小带轮通过第一联轴器与第一伺服电机连接。
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