[发明专利]一种镜像上肢康复机器人

权利要求书

1.一种镜像上肢康复机器人，该镜像上肢康复机器人包括两个平面5R并联机构及其驱动装置、握把(106)、手臂托架(105)、第一导轨(332)、第二导轨(333)、丝杠(306)、第一螺母座(326)、第二螺母座(327)和固定平台；

所述平面5R并联机构与驱动装置连接并由驱动装置驱动，以右侧平面5R并联机构及其驱动装置举例说明，左侧同理；右侧驱动装置分别通过螺钉与第一滑块(318)、第二滑块(319)、第三滑块(320)、第四滑块(321)和第二螺母座(327)连接，第一导轨(332)、第二导轨(333)和丝杠(306)安装在固定平台上，右侧平面5R并联机构及其驱动装置通过第一滑块(318)、第二滑块(319)、第三滑块(320)和第四滑块(321)在第一导轨(332)和第二导轨(333)上移动，所以平面5R并联机构及其驱动装置相对固定平台的左右移动，同时在第一导轨(332)和第二导轨(333)的两端安装有第一滑块限位块(307)、第二滑块限位块(308)、第三滑块限位块(309)和第四滑块限位块(310)以防止平面5R并联机构及其驱动装置滑离滑轨，左右两侧驱动装置下方安装的第一螺母座(326)和第二螺母座(327)采用正反牙设置，通过电机(311)带动丝杠(306)旋转从而实现第一螺母座(326)和第二螺母座(327)的同步反向移动，进而使2个平面5R机构适应患者双肩的宽度。

其特征在于：以右侧平面5R并联机构及其驱动装置举例说明，左侧同理；平面5R并联机构由四根连杆组成，其中，第一连杆(101)与第二连杆(104)的长度相等，第四连杆(103)比第三连杆(102)长度长；四根连杆相连接组成一个平行四杆机构，第一连杆(101)、第二连杆(104)和第三连杆(102)的连接处都在连杆两末端，第四连杆(103)的一个连接处在连杆末端，另一个连接处距末端连接处的距离与第三连杆(102)两连接处的距离相等；第四连杆(103)的另一末端安装有握把(106)；条件数代表了雅克比转换矩阵向各个方向的变换均一性；条件数越小，机器人的运动灵活性就越好；当条件数取最小值1时，机器人处于各向同性位，此时，机器人各个方向的运动能力均相等，灵巧性最高，各奇异值相等；条件数为0时，表明机器人处于奇异位形，算出该5R并联机构的条件数图谱以求得最佳的杆长比例；

令第一连杆(101)和第二连杆(104)的长度为L₁，第三连杆(102)的长度为L₂，第四连杆(103)比第三连杆(102)长L₃，第一连杆(101)的转动中心为A₁点，第三连杆(102)的转动中心为A₂点，因为第二轴(111)同轴心地套在第一轴(117)，A₁点和A₂点共点；以A₁点和A₂点为原点，以左右两侧平面5R并联机构移动方向为X轴，以相背离移动的方向为正方向，以在平面5R并联机构活动平面上且垂直于X轴的方向为Y轴，以人训练时正对的反方向为正方向在建立坐标系，令握把的在坐标系上的位置为P₁，P₁在参考系O-XY的位置用位置向量P描述：

其中X代表P点在X轴的坐标，Y代表P点在Y轴的坐标，

在参考系O-XY，B₁、B₂被表示为：

B₁＝(L₁cosθ₁，L₁sinθ₁) (1-2)

B₂＝(L₂cosθ₂，L₂sinθ₂) (1-3)

其中θ₁是第三连杆(102)与X轴的角度，θ₂是第一连杆(101)与X轴的角度；

根据本机构的简化模型得到下述约束方程

(X-L₁cosθ₁)²+(Y-L₁sinθ₁)²＝(L₂+L₃)² (1-4)

对式(1-4)和式(1-5)求时间的导数可得

其中代表对角度θ₁求时间的导数，代表对角度θ₂求时间的导数，代表对坐标X求时间的导数，代表对坐标Y求时间的导数；

联立上述方程得：

其中：

代表第三连杆(102)与第一连杆(101)两杆与X轴的角度对时间的导数，代表末端P₁位置对时间的导数；

矩阵A和矩阵B可描述为

速度雅克比矩阵表示为机器人操作空间速度与关节空间速度间的线性映射关系：

其中：J_(θ)表示速度雅可比矩阵

所以

J_(θ)＝B^-1A (1-13)

其中：B^-1代表矩阵B的逆

将机构的尺寸参数转化为无量纲形式，将所有参数纳入一个完全封闭的设计空间，需要确定L₁、L₂及L₃的比例关系，

令

所以

l₁+l₂＝2 (1-16)

条件数的计算公式为

其中：K_(J)代表条件数，|| ||代表任意矩阵的范数，通常取欧氏范数，J_(q)代表速度雅可比矩阵，代表速度雅可比矩阵的逆，m代表速度雅可比矩阵J_(q)的行数，n代表速度雅可比矩阵J_(q)的列数，代表速度雅可比矩阵的伪逆；

用matlab绘制的平面5R并联机构的条件数图谱，即算出L₁、L₂和L₃之间各种比例的条件数，第一连杆(101):第二连杆(104):第三连杆(102):第四连杆(103)：＝0.8:0.8:1.2:1.4。