[发明专利]一种四支链并联机构颈部康复训练机器人及其力控制方法

权利要求书

1.一种四支链并联机构颈部康复训练机器人，其特征在于，包括第一执行器(1)、第二执行器(2)、第三执行器(3)、第四执行器(4)、肩部固定模块(5)、头部固定模块(6)；

所述第一执行器(1)、第二执行器(2)、第三执行器(3)、第四执行器(4)包括电机定子(104)、电机动子(105)、壳体连接器(106)、联轴器(107)、丝杠轴承(108)、丝杠(109)、丝杠螺母(110)、圆筒壳体(111)、空心输出轴(112)、输出轴防转杆(113)、直线轴承(114)、直线轴承座(115)；

所述壳体连接器(106)一端与电机定子(104)端面固定安装，另一端与圆筒壳体(111)固定安装，并使得电机与圆筒壳体(111)的轴心重合；

所述联轴器(107)连接电机动子(105)的前端输出轴与丝杠(109)，使得丝杠(109)与电机动子(105)同步旋转；

所述输出轴防转杆(113)的两端分别与壳体联轴器(107)和直线轴承座(115)固定安装；

所述丝杠螺母(110)与空心输出轴(112)固定连接，所述丝杠螺母(110)侧面设置有凹槽，凹槽与输出轴防转杆(113)形成滑动摩擦副，当电机驱动丝杠(109)转时，丝杠螺母(110)进行前后运动，与丝杠螺母(110)固定连接的空心输出轴(112)也同步地前后运动；

所述直线轴承(114)安装于直线轴承座(115)的圆柱形凹槽内，与空心输出轴(112)外表面构成滑动摩擦副；

所述肩部固定模块(5)包括左侧肩座(501)、前连接板(502)、右侧肩座(503)、后连接板(504)；

所述第一执行器(1)可转动连接于左侧肩座(501)的前部，所述第二执行器(2)可转动连接于右侧肩座(503)的前部，所述第三执行器(3)可转动连接于右侧肩座(503)的后部，所述第四执行器(4)可转动连接于左侧肩座(501)的后部；所述前连接板(502)和后连接板(504)的两端与所述左侧肩座(501)和右侧肩座(503)固定连接；

所述头部固定模块(6)包括额部左侧固定半环(601)、额部右侧固定半环(602)、额部弹力连接带(605)；

所述额部左侧固定半环(601)和额部右侧固定半环(602)通过所述额部弹力连接带(605)相连构成圆环形结构，包围额部；

所述第一执行器(1)和第四执行器(4)可转动连接于所述额部左侧固定半环(601)上，所述第二执行器(2)和第三执行器(3)可转动连接于额部右侧固定半环(602)上；

康复训练机器人的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、并联机器人的安装及机构坐标系定义：将所述肩部固定模块(5)安装于患者肩部，将所述头部固定模块(6)安装于患者头部，将颈部骨骼和头部简化等效为一个球铰描述的两杆机构，定义身体随动坐标系{C_body}和颈部随动坐标系{C_neck}；

步骤二、运动学求解：利用四个支链执行器的角度传感器(103)测量电机轴转角，通过丝杠(109)传动比计算并联机构四个支链的长度，然后根据支链长度和人体关节行程约束进行运动学正解，求解并联机构头部固定模块四个连接点在{C_body}坐标系下的空间坐标；

将头部固定模块(6)四个连接点标记为E、F、G和H，记四个点在{C_body}坐标系的坐标分别为P_E、P_F、P_G和P_H；

将肩部固定模块(5)四个连接点标记为A、B、C和D，记四个点在{C_body}坐标系的坐标分别为P_A、P_B、P_C和P_D，求得并联机构四个支链的空间坐标向量，分别记为r₁、r₂、r₃和r₄，有：

r₁＝P_E-P_A，r₂＝P_F-P_B，r₃＝P_G-P_C，r₄＝P_H-P_D

步骤三、根据康复训练处方生成牵引力指令F_trac：由于F_trac是三维空间力矢量，因此可用三维空间坐标系下沿各坐标轴的分量表达为F_trac＝(F_tx,F_ty,F_tz)^T；

步骤四、根据牵引力指令F_trac和并联机器人四个支链的位姿向量计算四个支链执行器的作用力指令：

定义四个支链作用力的标量值分别为F₁、F₂、F₃和F₄，则四个支链的作用力矢量为：

F₁＝r₁F₁、F₂＝r₂F₂、F₃＝r₃F₃，F₄＝r₁F₄

四个支链作用力的矢量和即为牵引力，有：

F_trac＝r₁F₁+r₂F₂+r₃F₃+r₄F₄

步骤五、对每个支链进行力控制，定义电机旋转角速度ω_m到执行器直线输出速度v_a的传动比关系为v_a＝K_aω_m，则在忽略摩擦力和静态输出条件下，执行器输出力F_a与电机力矩T_m的关系为：

F_a＝T_m/K_a

根据四个支链需要的作用力计算电机的力矩，有：

T₁＝K_aF₁、T₂＝K_aF₂、T₃＝K_aF₃、T₄＝K_aF₄

根据需要的输出力矩T₁、T₂、T₃、T₄对四个执行器的电机分别进行控制。