CN117656100B - 运动轴线自适应踝关节运动机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种运动轴线自适应踝关节运动机器人及其控制方法，涉及运动机器人领域，运动机器人包括轴线补偿组件、绳索收放组件、滑轮偏转组件、支撑组件、定滑轮和绳索，轴线补偿组件、绳索收放组件、滑轮偏转组件、定滑轮和绳索均设置在支撑组件内，绳索收放组件、滑轮偏转组件和定滑轮均对称设置在轴线补偿组件的两侧，本发明通过双叉臂机构与弹簧实现踝关节的运动轴线与机器人的运动轴向进行拟合，避免在运动过程中造成伤害，通过绳索收放组件，实现通过电机的转动角度精确控制绳索的伸长与缩短，通过滑轮偏转组件，减小绳索与滑轮的摩擦，易于改变绳索方向，通过各组件相互配合，实现踝关节的各种运动。

Description

运动轴线自适应踝关节运动机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及运动机器人领域，具体涉及一种运动轴线自适应踝关节运动机器人及其控制方法。

背景技术

为避免踝关节在运动过程中造成伤害，目前，大多数踝关节运动机器人都是基于固定的转动轴线进行研究的，难以实现生物旋转中心与机器人的旋转中心吻合，而在踝关节运动过程中，运动轴线是不断变化的，简单的刚性等效较难实现与人体运动轴线的重合，且刚性机构的惯性冲击大，柔顺性差，运动训练过程中刚性连杆易产生有害冲击。

中国专利申请CN201210555816.1公开了一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人及其运动控制方法，机器人包括支撑平衡架、外骨骼机械腿、跑步机和控制系统；运动控制方法提供两种模式，分别为被动步行运动和主动步行运动模式：被动步行运动模式下，控制机器人带动操作者完成特定的运动或以正确的生理学步态轨迹运动；主动步行运动模式下，机器人抑制操作者有限的异常运动，直接修正或通过自适应控制器产生操作者期望的步态训练轨迹，间接实现机器人提供步行运动辅助力、阻抗力的目的。但该专利申请中并不能完全进行运动过程中踝关节出现的变化，无法实现机器人运动轴线与生物运动轴线相重合。

因此，有必要提出一种运动轴线自适应踝关节运动机器人及其控制方法，对轴线进行自动补偿，自适应轴线在运动过程中的变化。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种运动轴线自适应踝关节运动机器人及其控制方法，通过双叉臂机构与弹簧实现踝关节的运动轴线与机器人的运动轴向进行拟合，避免在运动过程中造成伤害，通过绳索收放组件，实现通过电机的转动角度精确控制绳索的伸长与缩短，通过滑轮偏转组件，减小绳索与滑轮的摩擦，更容易改变绳索方向，通过各组件相互配合，实现踝关节的背屈/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋，对踝关节进行运动训练。

本发明提供了一种运动轴线自适应踝关节运动机器人，其包括轴线补偿组件、绳索收放组件、滑轮偏转组件、支撑组件和绳索；轴线补偿组件包括支柱、固定套、双叉臂机构、转动架、弹簧、踏板连接架、踏板滑轨、踏板、旋钮和位姿传感器，支柱对称设置在支撑组件内，支柱的第一端面与支撑组件的底板连接，固定套与支柱的第二端面连接，转动架的两侧均通过双叉臂机构与固定套转动连接，弹簧的第一端与转动架固定连接，弹簧的第二端与踏板连接架的支臂转动连接，踏板连接架的支撑板的两侧对称设置有踏板滑轨，踏板与踏板滑轨滑动连接，旋钮穿过踏板滑轨与踏板螺纹连接，位姿传感器与踏板连接；绳索收放组件设置在底板上，绳索收放组件包括电机、卷筒轴、卷筒、第一齿轮、齿轮架、第二齿轮、齿轮轴、第三齿轮、凸轮件、第四齿轮、导向杆和同步块，卷筒轴的第一旋转轴通过联轴器与电机的输出轴连接，卷筒与卷筒轴的导向轴滑动连接，卷筒轴的第二旋转轴通过轴承座与底板转动连接，第一齿轮与卷筒轴的第一旋转轴连接，齿轮架设置在卷筒的一侧位置，第二齿轮通过齿轮轴与齿轮架转动连接，且第二齿轮与第一齿轮啮合传动，第三齿轮与齿轮轴连接，凸轮件的凸轮轴与齿轮架转动连接，第四齿轮与凸轮轴连接，且第四齿轮与第三齿轮啮合传动，导向杆设置在凸轮件的一侧位置，且导向杆的两端与齿轮架连接，同步块的滑块与导向杆滑动连接，同步块的柱形导块与凸轮件的凸轮槽滑动连接，同步块的驱动块与卷筒滑动连接；滑轮偏转组件包括支撑座、轴承块、摆动件、摆动滑轮、齿条、拉簧座和拉簧，轴承块与支撑座的第一端面连接，摆动件与轴承块转动连接，摆动件与支撑座的滑槽滑动连接，摆动滑轮设置在摆动件的中部位置，齿条通过齿条座设置在支撑座上，且齿条与齿条座为滑动连接，齿条与摆动件啮合传动，拉簧的第一端通过拉簧座与齿条连接，拉簧的第二端与齿条座连接。

可优选的是，支撑组件包括底板、机架、顶板、腿部支架、腿部护具和万向轮，机架的第一端面与底板的第一端面连接，顶板的第一端面与机架的第二端面连接，腿部支架与顶板的第二端面连接，腿部护具与腿部支架连接，万向轮设置在底板的第二端面四角位置处。

可优选的是，双叉臂机构包括臂支座、第一叉臂、第二叉臂、移动座和阻尼器，臂支座与固定套连接，第一叉臂和第二叉臂的第一端均与臂支座转动连接，第一叉臂和第二叉臂的第二端均与移动座转动连接，且第一叉臂和第二叉臂平行设置，阻尼器的第一端与臂支座转动连接，阻尼器的第二端与移动座转动连接。

可优选的是，滑轮偏转组件、绳索收放组件以及绳索的数量相同，底板的四角位置均分别设置有四组绳索收放组件，至少有两组绳索收放组件对称倾斜的设置在底板上，滑轮偏转组件至少有四组设置在顶板上，至少有两组滑轮偏转组件对称设置在底板上；底板的四角位置处还设置有定滑轮，至少四组绳索的第一端与四角位置处的绳索收放组件的卷筒缠绕，四组绳索的第二端依次绕过定滑轮与顶板位置的滑轮偏转组件的摆动滑轮与踏板连接架的支撑板连接，至少两组绳索的第一端与倾斜设置的绳索收放组件的卷筒缠绕，两组绳索的第二端绕过设置在底板的滑轮偏转组件的摆动滑轮与踏板连接架的支撑板连接。

可优选的是，卷筒轴包括旋转盘、导向轴、第一旋转轴和第二旋转轴，导向轴呈圆周分布在两旋转盘之间，第一旋转轴和第二旋转轴均与旋转盘连接，旋转盘、导向轴、第一旋转轴和第二旋转轴的轴线均相同。

可优选的是，凸轮件包括凸轮、凸轮槽和凸轮轴，凸轮槽环绕设置在凸轮上，凸轮轴设置在凸轮的两端。

可优选的是，同步块包括滑块、柱形导块和驱动块，柱形导块设置在滑块的第一端面，且与凸轮件中凸轮槽的接触端为半球形，驱动块设置在滑块的第二端面，卷筒的一侧位置设置弧形凹槽，驱动块与弧形凹槽滑动连接。

可优选的是，摆动件包括摆动块、第五齿轮和转轴，摆动块与支撑座的滑槽滑动连接，第五齿轮设置在摆动块的一侧位置，且第五齿轮与齿条啮合传动，转轴设置在摆动块的第二端面中部位置，转轴与轴承块转动连接，转轴的轴线与摆动滑轮的滑轮切线重合。

可优选的是，踏板连接架包括支臂和支撑板，支臂和支撑板垂直设置，支臂的末端设置通孔与轴线补偿组件的轴承连接，支撑板的四角位置处开设槽孔，绳索通过槽孔与支撑板连接；转动架的两侧末端位置对称设置空心柱体，移动座设置实心柱体，空心柱体的内侧与实心柱体转动且滑动连接。

本发明的第二方面，提供一种用于前述运动轴线自适应踝关节运动机器人的控制方法，其包括以下步骤：

S1、将足部放置在踏板上，通过绷带与踏板固定，通过旋钮调节踏板与转动架的距离，使踝关节轴线与转动架的转动轴线重合，然后将腿部通过绑带与腿部护具固定；

S2、分别建立全局坐标系和局部坐标系，以两侧支柱底部连线中心点为原点O，建立全局坐标系OX _b Y _b Z _b ；以踏板半圆圆心处为坐标原点Q，建立局部坐标系QX _a Y _a Z _a ；以转动架的转动轴线与轴承的轴线交点为坐标原点P，建立局部坐标系PXYZ；A _i 为绳索L _i 与动平台的连接点，B _i 为绳索L _i 与摆动滑轮的连接点，其中i=1,2,3,4,5,6；

S3、基于局部坐标系，踏板绕X轴的转角α、绕Y轴的转角β、绕Z轴的转角γ，用ZYX欧拉角描述踏板的位姿，则局部坐标系QX _a Y _a Z _a 相对于局部坐标系PXYZ的旋转矩阵为 ^P R _Q ；

S4、根据几何特性和矢量平行四边形，将各绳索的长度l _i 用绳索连接点与坐标点之间的关系进行表示，具体表达式如下：

，其中i=1,2,3,4,5,6；

式中，l _i 表示各绳索的长度，表示A _i 点到B _i 点的位置矢量，/>表示B _i 点到原点P的位置矢量，/>表示原点Q到原点P的位置矢量，/>表示A _i 点到原点Q的位置矢量；

S5、将各参数点代入绳索长度l _i 表达式中，可求得各绳索长度与踏板转动角度之间的具体关系值；

S6、将踏板转动所需的角度，根据所求得的具体关系值，通过控制器控制各电机的转动角度，实现各绳索的伸长或缩短，以实现踏板绕轴线的转动，通过位姿传感器可实时监测踏板的姿态数据，反馈至控制器，以进行实时调整各电机的伸缩量。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明的运动轴线自适应踝关节运动机器人，通过轴线补偿组件中双叉臂机构实时补偿运动轴线，实现踝关节的运动轴线与机器人的运动轴线进行拟合，避免踝关节在运动过程中造成伤害。

2、本发明的运动轴线自适应踝关节运动机器人，通过绳索收放组件提供动力，使绳索牵引踏板发生转动，冲击惯量小，通过腿部护具固定人体腿部，通过各组件相互配合，实现踝关节的背屈/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋，对踝关节进行运动训练。

3、本发明的运动轴线自适应踝关节运动机器人，通过绳索收放组件，实现卷筒转动的同时进行移动，使绳索均匀的缠绕在卷筒上，避免绳索在缠绕时发生的振荡引起的绕绳混乱，实现通过电机的转动角度精确计算并控制绳索的伸长与缩短。

4、本发明的运动轴线自适应踝关节运动机器人，通过滑轮偏转组件，当驱动绳索使踏板转动时，定滑轮适应性转动，自适应绳索方向，减小绳索与滑轮的摩擦，保证绳索改变方向更加容易。

附图说明

图1是本发明运动轴线自适应踝关节运动机器人的整体结构示意图；

图2是本发明中轴线补偿组件的结构示意图；

图3是本发明中双叉臂机构的结构示意图；

图4是本发明中绳索收放组件的结构示意图；

图5是本发明中滑轮偏转组件的正视示意图；

图6是本发明中滑轮偏转组件的结构示意图；

图7是本发明中绳索收放组件的位置示意图；

图8是本发明中滑轮偏转组件的受力分析示意图；

图9是本发明的整体受力分析示意图；

图10是本发明的整体受力分析左视示意图；

图11是本发明的几何模型示意图；

图12a-图12c是本发明中各绳索与踏板角度变化曲线示意图；

图13a-图13f是本发明中各驱动绳索与踏板绕X轴、Y轴进行复合运动变化曲线示意图。

主要附图标记：

1、轴线补偿组件；101、支柱；102、固定套；103、双叉臂机构；1031、臂支座；1032、第一叉臂；1033、第二叉臂；1034、移动座；1035、阻尼器；104、转动架；105、弹簧；106、弹簧座；107、轴承；108、卡环；109、踏板连接架；1091、支臂；1092、支撑板；110、踏板滑轨；111、踏板；112、旋钮；113、位姿传感器；2、绳索收放组件；21、绳索收放组件A；22、绳索收放组件B；23、绳索收放组件C；24、绳索收放组件D；25、绳索收放组件E、26、绳索收放组件F； 201、电机支架；202、电机；203、卷筒轴；2031、旋转盘；2032、导向轴；2033、第一旋转轴；2034、第二旋转轴；204、联轴器；205、卷筒；206、轴承座；207、第一齿轮；208、齿轮架；209、第二齿轮；210、齿轮轴；211、第三齿轮；212、凸轮件；2121、凸轮；2122、凸轮槽；2123、凸轮轴；213、第四齿轮；214、导向杆；215、同步块；2151、滑块；2152、柱形导块；2153、驱动块；3、滑轮偏转组件；31、支撑座；32、轴承块；33、摆动件；331、摆动块；332、第五齿轮；333、转轴；34、摆动滑轮；35、齿条座；36、齿条；37、拉簧座；38、拉簧；4、支撑组件；41、底板；42、机架；43、顶板；44、腿部支架；45、腿部护具；46、万向轮；5、定滑轮；6、绳索。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供的一种运动轴线自适应踝关节运动机器人，如图1所示，其包括轴线补偿组件1、绳索收放组件2、滑轮偏转组件3、支撑组件4、定滑轮5和绳索6，轴线补偿组件1、绳索收放组件2、滑轮偏转组件3、定滑轮5和绳索6均设置在支撑组件4内，绳索收放组件2、滑轮偏转组件3和定滑轮5均对称设置在轴线补偿组件1的两侧。支撑组件4包括底板41、机架42、顶板43、腿部支架44、腿部护具45和万向轮46，机架42的第一端面与底板41的第一端面连接，顶板43的第一端面与机架4的第二端面连接，腿部支架44与顶板43的第二端面连接，腿部护具45与腿部支架44连接，万向轮46设置在底板41的第二端面四角位置处。

如图2和图3所示，轴线补偿组件1包括支柱101、固定套102、双叉臂机构103、转动架104、弹簧105、弹簧座106、轴承107、卡环108、踏板连接架109、踏板滑轨110、踏板111、旋钮112和位姿传感器113，支柱101对称设置在支撑组件4内，支柱101的第一端面与支撑组件4的底板41连接，固定套102与支柱101的第二端面连接，转动架104的两侧均通过双叉臂机构103与固定套102转动连接，弹簧105的第一端与转动架104固定连接，弹簧105的第二端与弹簧座106连接，弹簧座106通过轴承107和卡环108与踏板连接架109的支臂1091转动连接，踏板连接架的支撑板的两侧对称设置有踏板滑轨，即踏板滑轨110对称设置在踏板连接架109的支撑板1092的两侧，踏板111与踏板滑轨110滑动连接，旋钮112穿过踏板滑轨110与踏板111螺纹连接，位姿传感器113与踏板111连接；双叉臂机构103包括臂支座1031、第一叉臂1032、第二叉臂1033、移动座1034和阻尼器1035，臂支座1031与固定套102连接，第一叉臂1032和第二叉臂1033的第一端均与臂支座1031转动连接，第一叉臂1032和第二叉臂1033的第二端均与移动座1034转动连接，且第一叉臂1032和第二叉臂1033平行设置，阻尼器1035的第一端与臂支座1031转动连接，阻尼器1035的第二端与移动座1034转动连接；踏板连接架109，其包括支臂1091和支撑板1092，支臂1091和支撑板1092垂直设置，支臂1091的末端设置通孔与轴承107连接，支撑板1092的四角位置处开设槽孔，绳索6通过槽孔与支撑板1092连接；转动架104的两侧末端位置对称设置空心柱体，移动座1034设置实心柱体，空心柱体的内侧与实心柱体转动且滑动连接。

如图4所示，绳索收放组件2设置在底板41上，绳索收放组件2包括电机支架201、电机202、卷筒轴203、联轴器204、卷筒205、轴承座206、第一齿轮207、齿轮架208、第二齿轮209、齿轮轴210、第三齿轮211、凸轮件212、第四齿轮213、导向杆214和同步块215，电机支架201与支撑组件4的底板41连接，电机202的安装端与电机支架201连接，卷筒轴203的第一旋转轴2033通过联轴器204与电机202的输出轴连接，卷筒205与卷筒轴203的导向轴2032滑动连接，卷筒轴的第二旋转轴通过轴承座与底板转动连接，即轴承座206与卷筒轴203的第二旋转轴2034转动连接，且轴承座206的固定端与底板41连接，第一齿轮207与卷筒轴203的第一旋转轴2033连接，齿轮架208设置在卷筒205的一侧位置，且与底板41连接，第二齿轮209通过齿轮轴210与齿轮架208转动连接，且第二齿轮209与第一齿轮207啮合传动，第三齿轮211与齿轮轴210连接，凸轮件212的凸轮轴2123与齿轮架208转动连接，第四齿轮213与凸轮轴2123连接，且第四齿轮213与第三齿轮211啮合传动，导向杆214设置在凸轮件212的一侧位置，且导向杆214的两端与齿轮架208连接，同步块215的滑块2151与导向杆214滑动连接，同步块215的柱形导块2152与凸轮件212的凸轮槽2122滑动连接，同步块215的驱动块2153与卷筒205滑动连接。卷筒轴203，其包括旋转盘2031、导向轴2032、第一旋转轴2033和第二旋转轴2034，导向轴2032呈圆周分布在两个旋转盘2031之间，第一旋转轴2033和第二旋转轴2034均与旋转盘2031连接，旋转盘2031、导向轴2032、第一旋转轴2033和第二旋转轴2034的轴线均相同。凸轮件212，其包括凸轮2121、凸轮槽2122和凸轮轴2123，凸轮槽2122环绕设置在凸轮2121上，凸轮轴2123设置在凸轮2121的两端。同步块215，其包括滑块2151、柱形导块2152和驱动块2153，柱形导块2152设置在滑块2151的第一端面，且与凸轮件212中凸轮槽2122的接触端为半球形，驱动块2153设置在滑块2151的第二端面，卷筒205的一侧位置设置弧形凹槽，驱动块2153与弧形凹槽滑动连接。

如图5和图6所示，滑轮偏转组件3包括支撑座31、轴承块32、摆动件33、摆动滑轮34、齿条座35、齿条36、拉簧座37和拉簧38，轴承块32设置在支撑座31的中部位置，且轴承块32与支撑座31的第一端面连接，摆动件33的转轴333与轴承块32转动连接，摆动件33的摆动块331与支撑座31的滑槽滑动连接，摆动滑轮34设置在摆动件33的第一端面的中部位置，齿条通过齿条座设置在支撑座上，即齿条座35对称设置在支撑座31的第一端面上，齿条36与齿条座35为滑动连接，且齿条36与摆动件33的第五齿轮332啮合传动，拉簧座37对称设置在齿条36的两端，拉簧的第一端通过拉簧座与齿条连接，即拉簧38的第一端与拉簧座37连接，拉簧38的第二端与齿条座35连接。摆动件33，其包括摆动块331、第五齿轮332和转轴333，摆动块331与支撑座31的滑槽滑动连接，第五齿轮332为不完全齿轮，第五齿轮332设置在摆动块331的一侧位置，且第五齿轮与齿条啮合传动。转轴333设置在摆动块331的第二端面中部位置，转轴与轴承块转动连接，转轴333的轴线与摆动滑轮34的滑轮切线重合。

滑轮偏转组件、绳索收放组件以及绳索的数量相同，绳索收放组件2设置为六组，底板的四角位置均分别设置有四组绳索收放组件，即其中四组绳索收放组件2对称设置在底板41的第一端面的四角位置，其中至少有两组绳索收放组件2对称倾斜的设置在底板41的第一端面上。滑轮偏转组件3设置为六组，滑轮偏转组件至少有四组设置在顶板上，即其中至少有四组对称设置在顶板43的第一端面上，其中至少有两组滑轮偏转组件对称设置在底板41的第一端面上。底板的四角位置处还设置有定滑轮，即定滑轮5设置在底板41的第一端面四角位置处。绳索6设置为六组，其中至少四组绳索的第一端与四角位置处的绳索收放组件2的卷筒205缠绕，四组绳索的第二端依次绕过定滑轮5与顶板位置的滑轮偏转组件3的摆动滑轮34与踏板连接架109的支撑板1092连接。其中至少两组绳索的第一端与倾斜设置的绳索收放组件2的卷筒205缠绕，两组绳索的第二端绕过设置在底板41的滑轮偏转组件3的摆动滑轮34与踏板连接架109的支撑板1092连接。

如图7所示，绳索收放组件 A 21、绳索收放组件B 22、绳索收放组件C 23、绳索收放组件D 24为对称设置在底板41的第一端面的四角位置的四组绳索收放组件，绳索收放组件E 25、绳索收放组件F 26为对称倾斜设置在底板41的第一端面的两组绳索收放组件。

如图8所示，T _i 分别为六根绳索的拉力，其中i=1,2,3,4,5,6，T _i1为绳索平行于摆动滑轮转动轴线的分力，T _i2为垂直于摆动滑轮转动轴线的分力，F ₂为摆动件33对齿条36的作用力，F ₃为拉簧38对齿条36的作用力，L为支撑座31的中心线，θ为绳索与中心线L之间的夹角，O点为摆动件33的转轴的圆心；当绳索发生偏转时，摆动滑轮34受到绳索的分力T _i1，摆动滑轮34将绕O点发生偏转，摆动件33对齿条36产生作用力F ₂，齿条36发生位移Δx，左侧拉簧伸长，由胡克定律：F=kΔx，可知，拉簧的拉力F ₃增大；当绳索6与中心线L之间的角度θ增大时，T _i1增大，F ₂增大，且F ₂大于F ₃，齿条36向左侧移动，摆动滑轮34绕O点顺时针偏转；当绳索6与中心线L之间的角度θ由大变小时，T _i1减小，F ₂减小，由于F ₃大于F ₂，齿条36将向右移动，由于摆动件33的第五齿轮332与齿条36啮合，使摆动件33绕O点逆时针转动，摆动滑轮34逆时针转动，摆动滑轮34将始终保持与绳索6摆动方向相同。

如图9和图10所示，F _G为人体足部的重力，F _G1为人体足部的重力平行于踏板111的分力，F _G2为人体足部对踏板111的作用力，F _d为阻尼器1035的阻力，F _d1为阻尼器1035的阻力沿竖直方向的分力，F _d2为阻尼器1035的阻力沿水平方向的分力；初始状态时，六根绳索的拉力T _i 和阻尼器1035的阻力F _d与人体足部对踏板111的压力F _G保持平衡，当踝关节运动时，六根绳索的拉力T _i 发生变化，当踝关节的运动轴线发生竖直向上的位移时，阻尼器1035的阻力减小，移动座1034向上运动，转动架104的旋转轴线在竖直方向上发生向上位移，与踝关节运动轴线重合，当踝关节做背屈运动时，人体足部的重力F _G将产生平行于踏板111的分力F _G1，使弹簧105发生压缩，对踝关节运动轴线进行补偿。

本发明的另一方面，提供了一种运动轴线自适应踝关节运动机器人的控制方法，如图11所示，其包括以下步骤：

S1、将足部放置在踏板111上，通过绷带与踏板111固定，通过旋钮112调节踏板111与转动架104的距离，使踝关节轴线与转动架104的转动轴线重合，然后将腿部通过绑带与腿部护具45固定。

S2、分别建立全局坐标系和局部坐标系，以两侧支柱101底部连线中心点为原点O，建立全局坐标系OX _b Y _b Z _b ；以踏板111半圆圆心处为坐标原点Q，建立局部坐标系QX _a Y _a Z _a ；以转动架104的转动轴线与轴承107的轴线交点为坐标原点P，建立局部坐标系PXYZ；A _i 为绳索L _i 与动平台的连接点，B _i 为绳索L _i 与摆动滑轮34的连接点，其中i=1,2,3,4,5,6。

S3、基于局部坐标系，踏板111绕X轴的转角α、绕Y轴的转角β、绕Z轴的转角γ，用ZYX欧拉角描述踏板111的位姿，则局部坐标系QX _a Y _a Z _a 相对于局部坐标系PXYZ的旋转矩阵为 ^P R _Q 。

S4、根据几何特性和矢量平行四边形，将各绳索长度l _i 用绳索连接点与坐标点之间的关系进行表示，具体表达式如下：

，其中i=1,2,3,4,5,6；

式中，l _i 表示各绳索的长度，表示A _i 点到B _i 点的位置矢量，/>表示B _i 点到原点P的位置矢量，/>表示原点Q到原点P的位置矢量，/>表示A _i 点到原点Q的位置矢量。

S5、将各参数点代入绳索长度l _i 表达式中，可求得各绳索长度与踏板转动角度之间的具体关系值。

S6、将踏板111转动所需的角度，根据所求得的具体关系值，通过控制器控制各电机的转动角度，实现各绳索的伸长或缩短，以实现踏板111绕轴线的转动，通过位姿传感器113可实时监测踏板111的姿态数据，反馈至控制器，以进行实时调整各电机的伸缩量。

在一种优选方式中，如图12a-图13f所示，图12a-图12c分别为绳索第一根至第六根的长度随踏板111转动角度的变化而伸长或缩短，图13a-图13f分别为在踏板绕X轴、Y轴进行踝关节的背屈/跖屈、内翻/外翻的复合运动，且绕Z轴的内收/外展不发生运动时，各绳索的长度随转动角度变化而变化。

以下结合实施例对本发明一种运动轴线自适应踝关节运动机器人及其控制方法做进一步描述。本发明的运动轴线自适应踝关节运动机器人使用过程如下所示：

首先，使用者坐在可调节座椅上，将使用者足部放置在踏板111上，通过绷带与踏板111固定，通过旋钮112调节踏板111与转动架104之间的距离，使踝关节轴线与转动架104的转动轴线重合，然后将使用者腿部通过绑带与腿部护具45固定。

使用者进行背屈运动时，绳索收放组件C 23、绳索收放组件D 24中的电机202旋转使卷筒205转动，卷筒205转动的同时，通过各齿轮与凸轮的配合，使卷筒205发生移动，将绳索6均匀缠绕在卷筒205上，缠绕在绳索收放组件绳索收放组件C 23、绳索收放组件D 24的卷筒上的绳索6收缩，同时，绳索收放组件A 21、绳索收放组件B 22中的电机202旋转使卷筒205转动，使缠绕在绳索收放组件A 21、绳索收放组件B 22的卷筒205上的绳索6伸长，与此同时，双叉臂机构103中阻尼器1035将伸长或缩短，被动适应使用者踝关节的运动轴线，随着绳索6的收缩和伸长，踏板111绕转动架104的转动轴线运动，使使用者踝关节发生背屈运动，同理，使用者进行跖屈运动时，绳索收放组件A 21、绳索收放组件B 22、绳索收放组件C23、绳索收放组件D 24中的电机202旋转方向与背屈运动相反。

使用者进行内翻运动时，绳索收放组件A 21、绳索收放组件D 24中电机202旋转使卷筒205转动，使缠绕在绳索收放组件A 21、绳索收放组件D 24的卷筒205上的绳索6收缩，绳索收放组件B 22、绳索收放组件C 23中的电机202旋转使卷筒205转动，使缠绕在绳索收放组件B 22、绳索收放组件C 23的卷筒205上的绳索6伸长，与此同时，弹簧105将发生变形，被动适应使用者踝关节的运动轴线，随着绳索6的收缩和伸长，踏板111绕弹簧座106运动，使使用者踝关节发生内翻运动，同理，使用者进行外翻运动时，绳索收放组件A 21、绳索收放组件B 22、绳索收放组件C 23、绳索收放组件D 24中的电机202旋转方向与内翻运动相反。

使用者进行内收运动时，绳索收放组件C 23、绳索收放组件F 26中电机202旋转使卷筒205转动，使缠绕在绳索收放组件C 23、绳索收放组件F 26的卷筒205上的绳索6收缩，绳索收放组件D 24、绳索收放组件E 25中电机202旋转使卷筒205转动，使缠绕在绳索收放组件D 24、绳索收放组件E 25的卷筒205上的绳索6伸长，与此同时，弹簧105将发生变形，被动适应使用者踝关节的运动轴线，随着绳索6的收缩和伸长，且通过弹簧105进行限位，使使用者踝关节发生内收运动，同理，使用者进行外展运动时，绳索收放组件C 23、绳索收放组件D 24、绳索收放组件E 25、绳索收放组件F 26中电机202旋转方向与内收运动相反。

本发明运动轴线自适应踝关节运动机器人，通过双叉臂机构103与弹簧105实现踝关节的运动轴线与机器人的运动轴向进行拟合，避免在踝关节运动过程中造成伤害，通过绳索收放组件，实现通过电机202的转动角度精确控制绳索6的伸长与缩短，通过滑轮偏转组件3，减小绳索6与滑轮的摩擦，更容易改变绳索6方向，通过各组件相互配合，实现踝关节的背屈/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋，对踝关节进行运动训练。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种运动轴线自适应踝关节运动机器人，其特征在于，其包括轴线补偿组件、绳索收放组件、滑轮偏转组件、支撑组件和绳索；

轴线补偿组件包括支柱、固定套、双叉臂机构、转动架、弹簧、踏板连接架、踏板滑轨、踏板、旋钮和位姿传感器，支柱对称设置在支撑组件内，支柱的第一端面与支撑组件的底板连接，固定套与支柱的第二端面连接，转动架的两侧均通过双叉臂机构与固定套转动连接，弹簧的第一端与转动架固定连接，弹簧的第二端与踏板连接架的支臂转动连接，踏板连接架的支撑板的两侧对称设置有踏板滑轨，踏板与踏板滑轨滑动连接，旋钮穿过踏板滑轨与踏板螺纹连接，位姿传感器与踏板连接；

绳索收放组件设置在底板上，绳索收放组件包括电机、卷筒轴、卷筒、第一齿轮、齿轮架、第二齿轮、齿轮轴、第三齿轮、凸轮件、第四齿轮、导向杆和同步块，卷筒轴的第一旋转轴通过联轴器与电机的输出轴连接，卷筒与卷筒轴的导向轴滑动连接，卷筒轴的第二旋转轴通过轴承座与底板转动连接，第一齿轮与卷筒轴的第一旋转轴连接，齿轮架设置在卷筒的一侧位置，第二齿轮通过齿轮轴与齿轮架转动连接，且第二齿轮与第一齿轮啮合传动，第三齿轮与齿轮轴连接，凸轮件的凸轮轴与齿轮架转动连接，第四齿轮与凸轮轴连接，且第四齿轮与第三齿轮啮合传动，导向杆设置在凸轮件的一侧位置，且导向杆的两端与齿轮架连接，同步块的滑块与导向杆滑动连接，同步块的柱形导块与凸轮件的凸轮槽滑动连接，同步块的驱动块与卷筒滑动连接；

滑轮偏转组件包括支撑座、轴承块、摆动件、摆动滑轮、齿条、拉簧座和拉簧，轴承块与支撑座的第一端面连接，摆动件与轴承块转动连接，摆动件与支撑座的滑槽滑动连接，摆动滑轮设置在摆动件的中部位置，齿条通过齿条座设置在支撑座上，且齿条与齿条座为滑动连接，齿条与摆动件啮合传动，拉簧的第一端通过拉簧座与齿条连接，拉簧的第二端与齿条座连接。

2.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人，其特征在于，支撑组件包括底板、机架、顶板、腿部支架、腿部护具和万向轮，机架的第一端面与底板的第一端面连接，顶板的第一端面与机架的第二端面连接，腿部支架与顶板的第二端面连接，腿部护具与腿部支架连接，万向轮设置在底板的第二端面四角位置处。

3.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人，其特征在于，双叉臂机构包括臂支座、第一叉臂、第二叉臂、移动座和阻尼器，臂支座与固定套连接，第一叉臂和第二叉臂的第一端均与臂支座转动连接，第一叉臂和第二叉臂的第二端均与移动座转动连接，且第一叉臂和第二叉臂平行设置，阻尼器的第一端与臂支座转动连接，阻尼器的第二端与移动座转动连接。

4.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人，其特征在于，滑轮偏转组件、绳索收放组件以及绳索的数量相同，底板的四角位置均分别设置有四组绳索收放组件，至少有两组绳索收放组件对称倾斜的设置在底板上，滑轮偏转组件至少有四组设置在顶板上，至少有两组滑轮偏转组件对称设置在底板上；底板的四角位置处还设置有定滑轮，至少四组绳索的第一端与四角位置处的绳索收放组件的卷筒缠绕，四组绳索的第二端依次绕过定滑轮与顶板位置的滑轮偏转组件的摆动滑轮与踏板连接架的支撑板连接，至少两组绳索的第一端与倾斜设置的绳索收放组件的卷筒缠绕，两组绳索的第二端绕过设置在底板的滑轮偏转组件的摆动滑轮与踏板连接架的支撑板连接。

5.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人，其特征在于，卷筒轴包括旋转盘、导向轴、第一旋转轴和第二旋转轴，导向轴呈圆周分布在两旋转盘之间，第一旋转轴和第二旋转轴均与旋转盘连接，旋转盘、导向轴、第一旋转轴和第二旋转轴的轴线均相同。

6.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人，其特征在于，凸轮件包括凸轮、凸轮槽和凸轮轴，凸轮槽环绕设置在凸轮上，凸轮轴设置在凸轮的两端。

7.根据权利要求5所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人，其特征在于，同步块包括滑块、柱形导块和驱动块，柱形导块设置在滑块的第一端面，且与凸轮件中凸轮槽的接触端为半球形，驱动块设置在滑块的第二端面，卷筒的一侧位置设置弧形凹槽，驱动块与弧形凹槽滑动连接。

8.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人，其特征在于，摆动件包括摆动块、第五齿轮和转轴，摆动块与支撑座的滑槽滑动连接，第五齿轮设置在摆动块的一侧位置，且第五齿轮与齿条啮合传动，转轴设置在摆动块的第二端面中部位置，转轴与轴承块转动连接，转轴的轴线与摆动滑轮的滑轮切线重合。

9.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人，其特征在于，踏板连接架包括支臂和支撑板，支臂和支撑板垂直设置，支臂的末端设置通孔与轴线补偿组件的轴承连接，支撑板的四角位置处开设槽孔，绳索通过槽孔与支撑板连接；转动架的两侧末端位置对称设置空心柱体，移动座设置实心柱体，空心柱体的内侧与实心柱体转动且滑动连接。

10.一种权利要求1-9之一所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人的控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、将足部放置在踏板上，通过绷带与踏板固定，通过旋钮调节踏板与转动架的距离，使踝关节轴线与转动架的转动轴线重合，然后将腿部通过绑带与腿部护具固定；

S2、分别建立全局坐标系和局部坐标系，以两侧支柱底部连线中心点为原点O，建立全局坐标系OX _b Y _b Z _b ；以踏板半圆圆心处为坐标原点Q，建立局部坐标系QX _a Y _a Z _a ；以转动架的转动轴线与轴承的轴线交点为坐标原点P，建立局部坐标系PXYZ；A _i 为绳索L _i 与动平台的连接点，B _i 为绳索L _i 与摆动滑轮的连接点，其中i=1,2,3,4,5,6；

S3、基于局部坐标系，踏板绕X轴的转角α、绕Y轴的转角β、绕Z轴的转角γ，用ZYX欧拉角描述踏板的位姿，则局部坐标系QX _a Y _a Z _a 相对于局部坐标系PXYZ的旋转矩阵为 ^P R _Q ；

S4、根据几何特性和矢量平行四边形，将各绳索的长度l _i 用绳索连接点与坐标点之间的关系进行表示，具体表达式如下：

，其中i=1,2,3,4,5,6；

式中，l _i 表示各绳索的长度，表示A _i 点到B _i 点的位置矢量，/>表示B _i 点到原点P的位置矢量，/>表示原点Q到原点P的位置矢量，/>表示A _i 点到原点Q的位置矢量；

S5、将各参数点代入绳索长度l _i 表达式中，可求得各绳索长度与踏板转动角度之间的具体关系值；

S6、将踏板转动所需的角度，根据所求得的具体关系值，通过控制器控制各电机的转动角度，实现各绳索的伸长或缩短，以实现踏板绕轴线的转动，通过位姿传感器可实时监测踏板的姿态数据，反馈至控制器，以进行实时调整各电机的伸缩量。