[发明专利]一种五自由度广义球面并联机构

说明书

本发明为一种五自由度广义球面并联机构，包括动平台、静平台和支链；该并联机构具有两个不重合的旋转球心，分别为定球心和动球心，所有支链均由A型连杆、和B型连杆组成，A型连杆为球面连杆，B型连杆为双球心球面连杆，同一并联机构中的所有B型连杆的两个球心之间的距离相等，所有B杆定球心重合组成广义球面并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成广义球面并联机构的动球心；动平台绕动球心做自由度为3的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动；五自由度广义球面并联机构的支链具有两种类型，分别为AABA型支链与ABAA型支链；AABA型支链有两条，ABAA型支链有三条。该机构灵活度更高，适应性更强。

技术领域

本发明涉及机械工程领域，具体涉及一种五自由度广义球面并联机构。

背景技术

随着医疗康健领域与机器人领域的不断发展，越来越多的康健机器人进入人们的视野。康健机器人不仅可以帮助关节损伤患者作康复运动，还可以用于运动员的运动训练和和老年人群的关节矫正。现有的康复机器人普遍具有刚度大、承载能力强、灵活度高的优点。然而，针对人体关节运动的复杂性，使用现有的机构已很难提高康复机器人的拟合精度、消除人机交互力，康健机器人的机构设计以遇到了较大的瓶颈。以踝关节康复机器人为例，其大部分构型以灵巧眼机构(三自由度球面并联机构)为基础，该机构具有一个动平台，一个静平台和三条支链，每一条直链均有两个球面连杆与三个转动副构成，且该机构的所有转动副回转中心轴会交与空间一点，将人体踝关节等效为标准球面副，而人体踝关节是人体最为复杂的关节之一，包含有胫骨、腓骨、距骨、舟骨与跟骨等，如果简单的将其简化为标准球面副，则会产生较大的人机交互力。为解决此类问题，提出一种可以充分拟合踝关节运动的新机构是十分有意义的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种五自由度广义球面并联机构，并为一种新型人体踝关节康健机器人设计方案提供理论基础。该机构具有与人体踝关节相适应的自由度与运动空间，充分考虑由于踝关节距骨存在引起的球面不对心问题(目前的踝关节康复机器人设计均将踝关节视为标准的球面运动，但此类运动即踝关节胫骨与距骨之间的相对运动并非标准球面运动，存在着严重不对心的问题)；该机构具有足够的灵活度、简单、灵巧、多变、适应性强。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种五自由度广义球面并联机构，包括动平台、静平台和支链；该并联机构具有两个不重合的旋转球心，分别为定球心和动球心，且两个球心之间的距离为一可调节定值，其特征在于，并联机构整体视为动平台绕动球心做自由度为3的球面运动，动球心绕定球心做自由度为2的球面运动；五自由度广义球面并联机构的支链具有两种类型，分别为用于控制动球心绕定球心的球面运动的AABA型支链与用于控制动平台绕动球心的球面运动的ABAA型支链；AABA型支链有两条，ABAA型支链有三条；所有支链均由A型连杆、和B型连杆组成，A型连杆为球面连杆，其两端孔的轴心线相交于一点，B型连杆为双球心球面连杆，即B型连杆具有两个广义球心，分别为B杆定球心与B杆动球心，在此定义B型连杆的两个广义球心所连结成的线段为“双心线段”，“双心线段”的长度为“双心距”，同一并联机构中的所有B型连杆的“双心距”必须相等，且运动过程中所有B型连杆的“双心线段”始终完全重合，即所有B杆定球心重合组成广义球面并联机构的定球心，且所有B杆动球心重合组成广义球面并联机构的动球心。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明首次提出五自由度广义球面并联机构构型，机构具有两个转动球心，一个为定球心，一个为动球心，动球心相对于定球心做两自由度转动，动平台绕动球心作三自由度转动，具有五条支链，相邻支链之间形成转动副。该机构既具有并联机构承载能力强，运动灵巧性高等特点，又可以拟合部分串联机构的运动。