[发明专利]一种可在3URS和2RRS/URS两种构型之间转换的下肢康复机器人机构

说明书

技术领域

本发明涉及变胞机构和并联机构，基于变胞原理完成并联机构两种构型的转换，实现不同自由度输出，可应用于康复机器人领域，满足患者康复不同阶段的运动需求。

背景技术

下肢康复机器人主要用于辅助由于中风、脑损伤等神经中枢受损造成的偏瘫、瘫痪等行走功能障碍患者急性期过后的运动康复训练。康复机器人被穿戴在人体身上，输出一定的运动，与人体运动配合，为患者提供助力，实现其生理机能的康复。目前，应用于人体的髋关节康复机构构型单一、可控自由度少、与人体运动相容性低，使得人体穿戴后舒适性差，并且难以满足患者在康复不同阶段对髋关节不同运动输出的需求，难以达到良好的康复效果。

为实现病人在不同阶段进行多种形式康复运动的需求，康复机器人机构应该能够根据患者康复需求变换构型，实现不同的运动输出，达到更好的康复效果。变胞机构(Metamorphic Mechanism),可以定义为能在瞬时使某些构件发生合并/分离、或出现几何奇异，并使机构有效构件数或自由度数发生变化，从而产生新构型的机构。变胞机构这一新型的机构是在1998年在亚特兰大召开的第25届ASME机构学与机器人学双年会上由戴建生和J Rees Jones首次发表其概念，目前已经在机器人领域取得了很多应用成果，如变胞车轮、变胞机械手、水下变胞机器人等。

并联机构是动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重符合比小、动力性能好、控制容易等一系列优点，因此将并联机构与变胞机构结合，设计一种可应用于人体下肢康复的新型机构是非常有必要的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明设计一种应用于人体髋关节的可在3URS和2RRS/URS两种构态之间转换的下肢康复机器人机构，具有多自由度切换和多功能等特性，可根据患者不同康复需求变换自身构型实现不同自由度输出，完成相应的康复训练动作。

本发明所述的可在3URS和2RRS/URS两种构态之间转换的下肢康复机器人机构，包括对称布置在基座两侧的两个单侧并联式变胞机构，以其中的一个单侧并联式变胞机构为例，所述的单侧并联式变胞机构具有两种构态，两种构态可以相互转换。构态一的构型是3URS，构态二的构型是2RRS/URS。构态一表示连接运动平台和基座的三个并联运动链中，每条运动链都是由一个虎克铰U、一个转动副R和一个球副S串联组成。构态二表示连接运动平台和基座的三个并联运动链中，其中两条运动链由两个转动副R和一个球副S串联组成，另一条运动链由一个虎克铰U、一个转动副R和一个球副S串联组成。将人体髋关节作为机构的一部分，看做一个球铰S与基座连接，所述基座与人体腰部为一个整体，人体髋关节与人体大腿骨骼是一个整体，具有三自由度的转动，转动中心为人体髋关节中心。此时将人体髋关节考虑进去时，构态一具有三自由度转动的自由度，转动中心为人体髋关节；构态二具有单自由度转动，转动轴与人体冠状轴(通过人体左右面并与地面平行的轴)平行并且通过髋关节中心。

所述的单侧并联式变胞机构，包括一个运动平台和三个运动链，分别为第一运动链、第二运动链和第三运动链，所述的三个运动链连接在运动平台与基座之间，每个运动链上连接电机用于驱动运动链的运动。其中，基座是个中间空心的部件，人体腰部从中穿戴进去，并与基座固定在一起。运动平台与人体大腿通过绑带连接在一起，运动平台的运动带动人体大腿运动。当所述的单侧并联式变胞机构处于构态一时，并联式变胞机构带动人体大腿绕人体髋关节做三自由度转动，实现各个方向的助力；当机构处于构态二时，并联式变胞机构带动人体大腿绕人体髋关节做单自由度转动，实现人体矢状面内的屈伸运动。

所述的三个运动链的结构相同，均包括上连杆Ⅰ和下连杆Ⅱ，所述的上连杆I和下连杆II之间通过转动副连接，上连杆Ⅰ另一端连接一个虎克铰，虎克铰支座连接到基座；下连杆Ⅱ另一端连接一个球铰，球铰通过球铰基座与运动平台连接。三条运动链中，第一运动链和第二运动链的虎克铰中与虎克铰支座相连的转动轴A与人体矢状轴(通过人体前后面并与地面平行的轴)平行，第三运动链的虎克铰中与虎克铰支座相连的转动轴A与人体矢状轴夹角为45度。在每个运动链的虎克铰的转动轴B上均连接一个电机，所述电机安装位置靠近人体腰部附近，分别驱动每条运动支链的U副中的一个转动副，该构态属于构态一。