利索能及
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专利号: 2024101295846
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种运动轴线自适应踝关节运动机器人,其特征在于,其包括轴线补偿组件、绳索收放组件、滑轮偏转组件、支撑组件和绳索;

轴线补偿组件包括支柱、固定套、双叉臂机构、转动架、弹簧、踏板连接架、踏板滑轨、踏板、旋钮和位姿传感器,支柱对称设置在支撑组件内,支柱的第一端面与支撑组件的底板连接,固定套与支柱的第二端面连接,转动架的两侧均通过双叉臂机构与固定套转动连接,弹簧的第一端与转动架固定连接,弹簧的第二端与踏板连接架的支臂转动连接,踏板连接架的支撑板的两侧对称设置有踏板滑轨,踏板与踏板滑轨滑动连接,旋钮穿过踏板滑轨与踏板螺纹连接,位姿传感器与踏板连接;

绳索收放组件设置在底板上,绳索收放组件包括电机、卷筒轴、卷筒、第一齿轮、齿轮架、第二齿轮、齿轮轴、第三齿轮、凸轮件、第四齿轮、导向杆和同步块,卷筒轴的第一旋转轴通过联轴器与电机的输出轴连接,卷筒与卷筒轴的导向轴滑动连接,卷筒轴的第二旋转轴通过轴承座与底板转动连接,第一齿轮与卷筒轴的第一旋转轴连接,齿轮架设置在卷筒的一侧位置,第二齿轮通过齿轮轴与齿轮架转动连接,且第二齿轮与第一齿轮啮合传动,第三齿轮与齿轮轴连接,凸轮件的凸轮轴与齿轮架转动连接,第四齿轮与凸轮轴连接,且第四齿轮与第三齿轮啮合传动,导向杆设置在凸轮件的一侧位置,且导向杆的两端与齿轮架连接,同步块的滑块与导向杆滑动连接,同步块的柱形导块与凸轮件的凸轮槽滑动连接,同步块的驱动块与卷筒滑动连接;

滑轮偏转组件包括支撑座、轴承块、摆动件、摆动滑轮、齿条、拉簧座和拉簧,轴承块与支撑座的第一端面连接,摆动件与轴承块转动连接,摆动件与支撑座的滑槽滑动连接,摆动滑轮设置在摆动件的中部位置,齿条通过齿条座设置在支撑座上,且齿条与齿条座为滑动连接,齿条与摆动件啮合传动,拉簧的第一端通过拉簧座与齿条连接,拉簧的第二端与齿条座连接。

2.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人,其特征在于,支撑组件包括底板、机架、顶板、腿部支架、腿部护具和万向轮,机架的第一端面与底板的第一端面连接,顶板的第一端面与机架的第二端面连接,腿部支架与顶板的第二端面连接,腿部护具与腿部支架连接,万向轮设置在底板的第二端面四角位置处。

3.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人,其特征在于,双叉臂机构包括臂支座、第一叉臂、第二叉臂、移动座和阻尼器,臂支座与固定套连接,第一叉臂和第二叉臂的第一端均与臂支座转动连接,第一叉臂和第二叉臂的第二端均与移动座转动连接,且第一叉臂和第二叉臂平行设置,阻尼器的第一端与臂支座转动连接,阻尼器的第二端与移动座转动连接。

4.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人,其特征在于,滑轮偏转组件、绳索收放组件以及绳索的数量相同,底板的四角位置均分别设置有四组绳索收放组件,至少有两组绳索收放组件对称倾斜的设置在底板上,滑轮偏转组件至少有四组设置在顶板上,至少有两组滑轮偏转组件对称设置在底板上;底板的四角位置处还设置有定滑轮,至少四组绳索的第一端与四角位置处的绳索收放组件的卷筒缠绕,四组绳索的第二端依次绕过定滑轮与顶板位置的滑轮偏转组件的摆动滑轮与踏板连接架的支撑板连接,至少两组绳索的第一端与倾斜设置的绳索收放组件的卷筒缠绕,两组绳索的第二端绕过设置在底板的滑轮偏转组件的摆动滑轮与踏板连接架的支撑板连接。

5.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人,其特征在于,卷筒轴包括旋转盘、导向轴、第一旋转轴和第二旋转轴,导向轴呈圆周分布在两旋转盘之间,第一旋转轴和第二旋转轴均与旋转盘连接,旋转盘、导向轴、第一旋转轴和第二旋转轴的轴线均相同。

6.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人,其特征在于,凸轮件包括凸轮、凸轮槽和凸轮轴,凸轮槽环绕设置在凸轮上,凸轮轴设置在凸轮的两端。

7.根据权利要求5所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人,其特征在于,同步块包括滑块、柱形导块和驱动块,柱形导块设置在滑块的第一端面,且与凸轮件中凸轮槽的接触端为半球形,驱动块设置在滑块的第二端面,卷筒的一侧位置设置弧形凹槽,驱动块与弧形凹槽滑动连接。

8.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人,其特征在于,摆动件包括摆动块、第五齿轮和转轴,摆动块与支撑座的滑槽滑动连接,第五齿轮设置在摆动块的一侧位置,且第五齿轮与齿条啮合传动,转轴设置在摆动块的第二端面中部位置,转轴与轴承块转动连接,转轴的轴线与摆动滑轮的滑轮切线重合。

9.根据权利要求1所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人,其特征在于,踏板连接架包括支臂和支撑板,支臂和支撑板垂直设置,支臂的末端设置通孔与轴线补偿组件的轴承连接,支撑板的四角位置处开设槽孔,绳索通过槽孔与支撑板连接;转动架的两侧末端位置对称设置空心柱体,移动座设置实心柱体,空心柱体的内侧与实心柱体转动且滑动连接。

10.一种权利要求1‑9之一所述的运动轴线自适应踝关节运动机器人的控制方法,其特征在于,其包括以下步骤:

S1、将足部放置在踏板上,通过绷带与踏板固定,通过旋钮调节踏板与转动架的距离,使踝关节轴线与转动架的转动轴线重合,然后将腿部通过绑带与腿部护具固定;

S2、分别建立全局坐标系和局部坐标系,以两侧支柱底部连线中心点为原点O,建立全局坐标系OXbYbZb;以踏板半圆圆心处为坐标原点Q,建立局部坐标系QXaYaZa;以转动架的转动轴线与轴承的轴线交点为坐标原点P,建立局部坐标系PXYZ;Ai为绳索Li与动平台的连接点,Bi为绳索Li与摆动滑轮的连接点,其中i=1,2,3,4,5,6;

S3、基于局部坐标系,踏板绕X轴的转角α、绕Y轴的转角β、绕Z轴的转角γ ,用ZYX欧拉角P

描述踏板的位姿,则局部坐标系QXaYaZa相对于局部坐标系PXYZ的旋转矩阵为RQ;

S4、根据几何特性和矢量平行四边形,将各绳索的长度li用绳索连接点与坐标点之间的关系进行表示,具体表达式如下:

,其中i=1,2,3,4,5,6;

式中,li表示各绳索的长度, 表示Ai点到Bi点的位置矢量, 表示Bi点到原点P的位置矢量, 表示原点Q到原点P的位置矢量, 表示Ai点到原点Q的位置矢量;

S5、将各参数点代入绳索长度li表达式中,可求得各绳索长度与踏板转动角度之间的具体关系值;

S6、将踏板转动所需的角度,根据所求得的具体关系值,通过控制器控制各电机的转动角度,实现各绳索的伸长或缩短,以实现踏板绕轴线的转动,通过位姿传感器可实时监测踏板的姿态数据,反馈至控制器,以进行实时调整各电机的伸缩量。