[发明专利]一种新型踝关节康复机器人其控制方法

摘要

本发明涉及一种新型踝关节康复机器人，包括电控箱、基座、驱动电机、编码器、3‑RRR球面并联机构及脚部踏板；3‑RRR球面并联机构位于底部基座及上方脚部踏板之间，3‑RRR球面并联机构具有三条相同的运动支链，每条支链由三个转动副和两个连杆组成，该3‑RRR球面机构具有三个纯转动自由度，且各转动轴线交于一点，该点是3‑RRR球面机构的转动中心O点，每条运动支链的各个转动副轴线也交于O点。具有三转动自由度，并且工作空间应当满足踝关节各运动的角度范围；同时，还满足踝关节转动灵活性高、承载能力强的生理特点。

主权项

一种新型踝关节康复机器人，其特征在于：包括电控箱、基座、驱动电机、编码器、3‑RRR球面并联机构及脚部踏板；其中，3‑RRR球面并联机构位于底部基座及上方脚部踏板之间，3‑RRR球面并联机构具有三条相同的运动支链，每条支链由三个转动副和两个连杆组成，该3‑RRR球面机构是一种典型的球面并联机构，具有三个纯转动自由度，且各转动轴线交于一点，该点是3‑RRR球面机构的转动中心O点，每条运动支链的各个转动副轴线也交于O点，首先，在转动中心O点处建立固连于静平台的静坐标系OX0Y0Z0，Z0指向静平台的法线方向向上，X0指向O点与运动支链靠近静平台的转动副中心连续在静平台上的投影方向，Y0由右手定则确定，其次，在同样在转动中心O点处建立固连于动平台的动坐标系OX0'Y0'Z0'，该坐标系会随着动平台的运动而运动，在初始位置，动坐标系与静坐标系重合；定义方向矢量ui(i=1,2,3)，指向运动支链i中连架杆与静平台之间转动副的轴线方向；定义vi(i=1,2,3)，指向运动支链i中连杆与动平台之间的转动副的轴线方向；定义wi(i=1,2,3)，指向同一运动支链上两连杆之间转动副的轴线方向；因为三条运动支链完全相同，所以对其结构参数研究时，可以将3‑RRR机构的简化为一条支链作为研究对象，单条运动支链共有四个结构参数：α1——连架杆两端转动副轴线的夹角；α2——连杆两端转动副轴线的夹角；β1——方向矢量ui与静平台法线方向OH的夹角；β2——方向矢量vi与静平台法线方向OH'的夹角；这些结构参数对机构的工作空间、灵活度产生影响，为了获得较好的灵活度指标，同时考虑到机构对称性，对四个参数进行尺寸综合，确定优化结果为α1=90°，α2=90°，β1=54°，β2=54°，此时3‑RRR球面并联机构呈现正交特点，方向矢量vi垂直于wi；将各条运动支链的驱动输入定义为θi(i=1,2,3)，因为3‑RRR球面并联机构为纯转动机构，可用欧拉角表示其动平台的姿态角，采用ZXY欧拉角[ϕ,θ,ψ]来表示姿态，动坐标系OX0'Y0'Z0'相对于静坐标系OX0Y0Z0的坐标变换过程为：（1）坐标系OX0Y0Z0绕Z0转动ϕ角，得到中间坐标系OX1Y1Z1；（2）坐标系OX1Y1Z1绕X1轴转动θ角，得到中间坐标系OX2Y2Z2；（3）坐标系OX2Y2Z2绕Y2轴转动ψ角，得到动坐标系OX0'Y0'Z0'；由以上变换过程可以写出从定坐标系OX0Y0Z0系到动坐标系OX0'Y0'Z0'的旋转矩阵RE：RE=cφcψ−sφsθsψ−sφcθcφsψ+sφsθcψsφcψ+cφsθsψcφcθsφsψ−cφsθcψ−cθsψsθcθcψ]]>。