并联机器人常用关节有哪些？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-06-15 11:38 标签： 关节机器人

的分类方法和标准很多，按机械结构的分类工业可以分为串联机器人和并联机器人。那么什么是串联机器人和并联机器人？各自有什么特点？

并联机器人是指动平台和定平台,通过至少两个独立的运动链相连接,机构具有两个或者 两个以上的自由度,以并联方式驱动的一种闭环的机器人。

并联机器人的特点呈现为无累积误差，精度较高；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好。

1、无累积误差，精度较高；

2、驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；

3、结构紧凑，刚度高，承载能力大；

4、完全对称的并联机构具有较好的各向同性；

根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。

串联机器人是一种开式运动链机器人，它是由一系列连杆通过转动关节或移动关节串联形成的。利用驱动器来驱动各个关节的运动从而带动连杆的相对运动，使机器人末端达到合适的位姿。

2、驱动功率不同，电机型号不一；

3、电机位于运动构建，惯量大；

4、正解简单，逆解复杂。

并联机器人和串联机器人已经成为工业机器人领域齐驱并进的两架“马车”，共同推动工业机器人向前发展。

一种并联踝关节康复机器人及其控制方法
[0001] 本发明涉及医疗器械技术领域，具体地说是一种并联式踝关节康复机器人及其控 制方法。
[0002] 脚踝关节是人体最大的负重关节之一，很容易因运动不当（如跑跳、行走）、疾病 (如中风、偏瘫）、事故（车祸、意外）等原因造成关节和肌肉损伤。脚踝关节具有背屈/跖 屈、内翻/外翻和内收/外展三个运动自由度。传统的脚踝康复治疗主要依赖于治疗师一 对一的徒手训练，难以实现高强度、有针对性和重复性的康复训练要求。目前，国内外已有 多家科研机构开展了踝关节康复机器人的研发与临床试验，并取得了一定的进展。采用机 器人进行踝关节康复训练，不仅可以将治疗师从繁重的训练任务中解放出来，而且能够满 足不同患者对训练方法的不同要求，故可以解决传统康复训练的一些缺陷。此外，在踝关节 康复过程中，康复机器人能否完全模拟人体踝关节的运动规律（背屈/跖屈、内翻/外翻和 内收/外展运动）以及能否适应不同患者进行相应的康复训练，对于患者踝关节的恢复效 果有着重大的意义。
[0003] 现有的踝关节康复机器人大多采用刚性驱动机构作为驱动器，比如直线马达或电 机，这种机器人由于驱动器的刚性本质导致其柔顺性较差，容易在机器人控制中产生不可 控的作用力，对患者带来康复不适甚至二次损伤。另外，很多踝关节机器人的旋转中心（主 运动）与人体脚踝旋转中心不一致，在训练过程中下肢其他部位会随之一起运动，而不仅 仅是踝关节，因此不能保证对踝关节的有效训练。同时，大多数踝关节康复机器人可调节的 运动范围很小，仅能实现两个自由度的运动，不能契合不同患者所需要的训练姿态及对踝 关节康复的全范围康复需求。
[0004] 而且，目前的脚踝关节康复机器人多以被动训练模式为主，患者在机器人的辅助 下进行重复性的被动训练，不能根据实时交互完成智能主动的训练，无法提高患者参与训 练的积极性，因而限制了其所产生的康复效果。例如，中国专利. 7公开了一 种踝关节康复机器人，其控制部分仅实现了机器人的基本运动控制，未在训练过程中考虑 患者的主动运动意图；中国专利.X公开了一种主动/被动踝关节康复训练 装置，仅通过装置机构特征实现半主动式的训练，并未对脚踝关节机器人本身的主动控制 策略提供更多信息。临床康复表明，有患者主动参与的康复训练将产生更好的康复效果，同 时，当患者不希望主动参与训练时，还需要通过被动训练方法提高患者的肌肉活动能力。因 此，研发脚踝关节机器人兼具被动和主动训练能力的智能控制方法是至关重要的。

[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种气动肌肉驱动的踝关节并联康复机器人及 其智能控制方法，该机器人可调以适应不同患者使用，可覆盖踝关节三个自由度的运动训 练，主动和被动训练相结合，并实现智能转换，同时具有柔顺性好，质量轻便等优点。
[0006] 本发明一方面提供一种并联踝关节康复机器人，包括底座，所述底座上插装有支 撑架，该支撑架上活动卡装有调节机构，该调节机构包括主杆、前臂杆和腿部支撑杆，主杆 前端与前臂杆装接，腿部支撑杆与主杆安装连接，前臂杆上装接有连杆，主杆与支撑架活动 卡装；还包括调节机构和运动机构，驱动机构前端与调节机构中的连杆装接，驱动机构末端 与运动机构装接，运动机构与主杆后端活动卡装。
[0007] 所述主杆与支撑架间设有角度定位机构，该角度定位机构包括调节手柄、前带齿 定位片、前固定片、后带齿定位片、后固定片和紧固螺栓，前固定片卡装在前带齿定位片上， 后固定片卡装在后带齿定位片上，紧固螺栓从前固定片、前带齿定位片、后带齿定位片和后 固定片穿过，调节手柄套装在紧固螺栓上并锁紧使前带齿定位片和后带齿定位片啮合安 装，主杆通过螺钉与前固定片连接，支撑架通过螺钉与后固定片连接，调节手柄的手柄部分 外露在支撑架外。
[0008] 所述前臂杆一端插装入主杆内并被设在主杆前端上的螺钉旋钮锁紧，连杆一端插 装入前臂杆内并被设在前臂杆上的螺钉旋钮锁紧。
[0009] 所述驱动机构包括驱动器、第一套筒、第一十字万向节联轴器、第二套筒、拉力传 感器和第二十字万向节联轴器，第一套筒接在气动肌肉的前端，第一^h字万向节联轴器与 第一套筒装接，第二套筒与气动肌肉的后端装接，拉力传感器一端与第二套筒连接、另一端 与第二十字万向节联轴器连接，第一十字万向节联轴器通过第一轴承与连杆装接，第二十 字万向节联轴器通过第三轴承与运动机构连接，所述驱动器为气动肌肉或直线电机或气 缸。
[0010] 所述第一套筒与气动肌肉、第一十字万向节联轴器以螺纹连接方式装接，第二套 筒与气动肌肉、拉力传感器以螺纹连接方式装接，拉力传感器与第二十字万向节联轴器以 螺纹连接方式装接。
[0011] 所述运动机构包括第一运动杆、第二运动杆、第三运动杆、运动平台、六轴力传感 器和脚盘，主杆后端设有第二轴承和第二轴承盖，第一运动杆的端头卡装在第二轴承内，第 一运动杆上设有第四轴承和第四轴承盖，第二运动杆前端卡装在第四轴承内，第二运动杆 的后端装设有第五轴承和第五轴承盖，第三运动杆后端卡装在第五轴承内，运动平台和六 轴力传感器从下往上依次套装在第三运动杆上，脚盘装设在第三运动杆的前端，运动平台 上设有第三轴承和第三轴承盖，第二十字万向节联轴器与第三轴承装接。
[0012] 所述第二轴承内设有第一旋转角度传感器，第四轴承内设有第二旋转角度传感 器，第五轴承内设有第三旋转角度传感器。
[0013] 所述支撑架上设有限位槽，底座上设有螺钉旋扭，该螺钉旋扭插入支撑架的限位 槽中并锁紧，使支撑架与底座固定连接。
[0014] 本发明以气动肌肉或直线电机为驱动器，再配合十字万向节联轴器传递动力，本 机器人的各机构可调以适应不同患者使用，调整主杆的角度即调整了腿部支撑杆的角度， 确保能够迎合不同患者的腿所能屈伸的角度，可覆盖踝关节三个自由度的运动训练，同时 具有柔顺性好，质量轻便等优点；另一方面，加设的调节机构、伸缩式支撑架和运动机构能 有效地扩展和控制本机器人的运动范围，提高了可控性；再一方面，加设的力传感器能有效 地监测、处理和反馈患者所受或施加的力/力矩，实现了本机器人的阻抗控制，提高了本机 器人康复训练效果；最后，加设的旋转角度传感器能有效地实时监测和反馈患者的运动角 度，进一步提高了本机器人康复训练效果。
[0015] 另一方面，本发明还提供了一种并联踝关节康复机器人的控制方法，包括以下步 骤：
[0016] 初始机器人的运动轨迹规划；
[0017] 检测患者脚踝与机器人之间的实际交互作用力/力矩，将该实际交互作用力/力 矩与预设的交互作用力/力矩阈值进行比较；
[0018] 若实际交互作用力/力矩小于预设的交互作用力/力矩阈值，进入被动训练模式， 保持当前运动轨迹，带动患者进行被动训练；
[0019] 若实际交互作用力/力矩大于预设的交互作用力/力矩阈值，进入主动修正训练 模式，修正当前运动轨迹和运动方向，同时保持机器人当前的运动速度和加速度不变，保证 机器人运动的连续性，实现患者的主动修正训练；
[0020] 根据上述运动轨迹，对机器人的气动肌肉进行运动闭环控制，实现对运动轨迹的 精确跟踪。
[0021] 所述主动修正训练模式中，若交互作用力与当前运动轨迹同轴，则保持当前运动 轨迹的轴向，修正当前运动轨迹和运动方向；
[0022] 若交互作用力与当前运动轨迹不在同一轴向上，则改变当前运动轨迹轴向，使当 前轴向运动轨迹变换为另一轴向运动轨迹，具体为首先将当前轴向运动逆向至运动轨迹零 点停止，然后在零点位置转移至另一轴向轨迹运动，完成运动轨迹轴向的变换修正。
[0023] 所述对机器人的气动肌肉进行运动闭环控制具体包括以下步骤：
[0024] 期望轨迹规划，确定机器人的运动修正形式，完成期望轨迹规划；
[0025] 根据轨迹，通过运动学逆解方式计算气动肌肉的期望长度；
[0026] 建立气动肌肉控制模型，采用公式F(p,k) = (p+a) ?eb'k+c?p?k+d?p+e建立函 数模型，其中F为气动肌肉所产生的静态拉力，P为气动肌肉的内部气压；
[0027] 根据气动肌肉控制模型，计算气动肌肉的期望长度所需要的气压值，对气动肌肉 进行充气/放气操作，使气动肌肉中产生相应的气压值；
[0028] 获取机器人的实际运动轨迹，通过运动学逆解方式计算得到气动肌肉的

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