CN101999970A - 并联式多自由度踝关节康复训练器 - Google Patents

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本发明涉及一种并联式多自由度踝关节康复训练器，包括：大腿支撑座、大腿支撑座内杆、大腿支撑座外杆、小腿连接套、足底支撑板、基板，以及长度能够伸缩的第一运动支链、第二运动支链及第三运动支链，所述第一运动支链、第二运动支链及第三运动支链的上端均通过球铰与足底支撑板连接，第一运动支链、第二运动支链及第三运动支链的下端均通过虎克铰与基板连接。本发明采用3-UPS/S型并联机构，具有三个转动自由度，且其转动中心为踝关节，真正实现踝关节背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动；本发明结构刚性好，承载能力高，能够有效减轻受损关节的负担；能够真实模拟踝关节的球面运动，仿生性高。

Description

并联式多自由度踝关节康复训练器
技术领域
本发明涉及的是一种康复工程技术领域的装置，具体是一种并联式多自由度踝关节康复训练器。
背景技术
每年世界上都有大量的人因为事故或疾病等原因导致身体残疾或瘫痪，失去正常的行动能力。临床医学经验表明，正确、科学的康复训练对肢体运动功能恢复和提高能够起到非常重要的作用。目前，肢体康复训练主要是通过专业护理人员人工模拟患者肢体的关节运动实现，这种方法对专业护理人员的素质要求较高，专业护理人员的劳动强度较大，对患者而言，医疗费用高，灵活性较差。为了解决这一问题，各种主动式康复设备被设计开发出来，以提高康复训练的有效性、灵活性和全面性。
本发明主要针对的是踝关节的康复训练设备。由人体解剖学可知，踝关节可视为绕定点转动的球面关节，能够实现背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动。目前踝关节康复训练器的主要结构形式为单自由度的转动铰链，仅实现踝关节的背伸/跖屈运动，难以满足踝关节全面康复训练的要求。经对现有相关技术文献的检索发现，中国专利申请号为：200810034002.7，名称为“并联式多自由度假肢外骨骼踝关节”，该外骨骼踝关节虽然采用了多自由度并联机构，但是3-RPS型并联机构仅能实现两个方向的转动，且转动中心不固定。中国专利申请号为：200820073836.4，名称为“一种踝关节康复机器人”，该踝关节康复机器人虽然采用了具有三个转动自由度的并联机构，但是其固定的转动中心与踝关节并不重合，因此难以有效实现踝关节的康复训练。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点，提供一种多自由度踝关节康复训练器，能够满足踝关节三个方向转动的需要，且转动中心与踝关节重合，提供主动驱动帮助患者进行踝关节康复训练。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种并联式多自由度踝关节康复训练器，包括：大腿支撑座、大腿支撑座内杆、大腿支撑座外杆、小腿连接套、足底支撑板、基板，其中，大腿支撑座外杆与基板固定连接；大腿支撑座与大腿支撑座内杆固定连接，大腿支撑座内杆连接在所述大腿支撑座外杆上；小腿连接套与大腿支撑座外杆固定连接，还包括长度能够伸缩的第一运动支链、第二运动支链及第三运动支链，所述第一运动支链、第二运动支链及第三运动支链的上端均通过球铰与足底支撑板连接，第一运动支链、第二运动支链及第三运动支链的下端均通过虎克铰与基板连接。
本发明采用3-UPS/S型并联机构，具有三个转动自由度，且其转动中心为踝关节，真正实现踝关节背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动。本发明采用并联式结构，刚性好，承载能力高，能够有效减轻受损关节的负担；能够真实模拟踝关节的球面运动，仿生性高。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，其中图1(a)是本发明的等轴测图，图(b)是本发明的左视图；
图2是第一运动支链的结构示意图；
图3是本发明的等效3-UPS/S型并联机构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：大腿支撑座1、大腿支撑座内杆2、锁紧螺钉3、大腿支撑座外杆4、小腿连接套10、足底支撑板9、第一运动支链6、第二运动支链7、第三运动支链8、基板5，其中：大腿支撑座外杆4与基板5固定连接；大腿支撑座1与大腿支撑座内杆2固定连接，大腿支撑座内杆2与所述大腿支撑座外杆4滑动连接，具体而言，大腿支撑座内杆2在大腿支撑座外杆4中伸缩以调整合适的大腿支撑高度，并通过锁紧螺钉3锁紧固定；小腿连接套10与大腿支撑座外杆4固定连接；长度能够伸缩的第一运动支链6、第二运动支链7及第三运动支链8的上端均与足底支撑板9连接，第一运动支链6、第二运动支链7及第三运动支链8的下端均与基板5连接。
如图2所示的第一运动支链6，图中左侧为第一运动支链6的上端。所述的第一运动支链6包括：第一伸缩杆11、第一直线轴承12、第一外套筒13、第一滚珠丝杠14、第一滚珠螺母15、第一轴承座16、第一轴承17、第一丝杠同步带轮18、第一连接套筒19、第一虎克铰输出轴20、第一虎克铰固定基座21、第一同步齿形带22、第一电机同步带轮23、第一电机连接板24、第一伺服电机25、第一导向键26，其中：第一伸缩杆11套接在第一直线轴承12内部，第一直线轴承12安装于第一外套筒13上端；第一伸缩杆11下端还与第一滚珠螺母15固定连接，第一滚珠螺母15螺纹套接在第一滚珠丝杠14之上，且第一滚珠螺母15与第一导向键26固定连接，第一导向键26与第一外套筒13内壁滑动设置，则第一滚珠螺母15也与第一外套筒13内壁滑动设置；第一滚珠丝杠14下端通过第一轴承17支撑在第一轴承座16之上，第一轴承座16固定于第一外套筒13下端，第一丝杠同步带轮18安装于第一滚珠丝杠14下端，第一丝杠同步带轮18通过第一同步齿形带22与第一电机同步带轮23连接，第一电机同步带轮23安装于第一伺服电机25的输出轴，第一伺服电机25通过第一电机连接板24与第一外套筒13固定连接，第一外套筒13、第一电机连接板24通过第一连接套筒19与第一虎克铰输出轴20固定连接。第一伸缩杆11的上端通过第一球铰29与足底支撑板9铰接；第一虎克铰输出轴20转动连接在第一虎克铰固定基座21上，第一虎克铰固定基座21固定在基板5上。
所述的第二运动支链7与第一运动支链6结构相同。
所述的第三运动支链8也与第一运动支链6结构相同。
所述第一运动支链6、第二运动支链7、第三运动支链8分别通过第一球铰29、第二球铰30、第三球铰31与足底支撑板9铰接。
所述第一运动支链6、第二运动支链7、第三运动支链8通过第一虎克铰固定基座21、第二虎克铰固定基座27、第三虎克铰固定基座28与基板5固定连接。
本实施例通过采用上述结构，形成3-UPS/S型并联机构(其中U-虎克铰，P-移动副，S-球铰)，其等效结构示意图如图3所示，第一运动支链6、第二运动支链7、第三运动支链8的下端在点B1、B2、B3处通过虎克铰与静平台5相连；第一运动支链6、第二运动支链7、第三运动支链8上端在点P1、P2、P3处通过球铰与动平台9相连；第一运动支链6、第二运动支链7、第三运动支链8本身形成移动副；通过上述3套UPS结构可在动平台9与静平台5之间形成等效球铰32(即所谓的3-UPS/S)，球铰32为静平台5和动平台9之间的约束铰链，即动平台9只能相对静平台5转动。通过改变三个运动支链的长度以驱动动平台9产生相对于静平台的运动，在球铰32的约束下，动平台9能够实现绕x轴、y轴和z轴的转动。本实施例将静平台选为基板5，动平台选为足底支撑板9，而约束球铰32选为训练者的踝关节，因此动平台绕球铰32的转动就等效为踝关节的背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动。
本实施例工作时，训练者成坐姿，大腿放置在大腿支撑座1上，脚放置于足底支撑板9，小腿与小腿连接套10连接。对于一根运动支链，由伺服电机通过电机同步带轮和丝杠同步带轮带动滚珠丝杠转动，进而实现滚珠螺母和伸缩杆产生相对于外套筒的伸缩运动，最终使运动支链上下连接端之间的距离发生变化，三根运动支链的工作过程相同。在对整个康复训练器进行运动控制时，将球铰32建立在训练者的踝关节处，对于每个训练者而言，需要具体测量其体格参数才能得到其踝关节相对于足底支撑板9的位置，从而建立球铰32。通过第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链伸缩运动的配合，能够实现足底支撑板的姿态控制，即实现踝关节的角度控制。
本实施例的踝关节康复训练器通过采用并联式结构，能够有效地减轻人体受损关节的负担，具有高刚性、高承载能力等特点；由于该康复训练器能够实现三个转动，且转动中心与踝关节重合，因而能够逼真模拟踝关节的背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋运动，提高了踝关节康复训练的全面性和有效性。

Claims (5)

1.一种并联式多自由度踝关节康复训练器，包括：大腿支撑座、大腿支撑座内杆、大腿支撑座外杆、小腿连接套、足底支撑板、基板，其中，大腿支撑座外杆与基板固定连接；大腿支撑座与大腿支撑座内杆固定连接，大腿支撑座内杆连接在所述大腿支撑座外杆上；小腿连接套与大腿支撑座外杆固定连接，其特征在于，还包括长度能够伸缩的第一运动支链、第二运动支链及第三运动支链，所述第一运动支链、第二运动支链及第三运动支链的上端均通过球铰与足底支撑板连接，第一运动支链、第二运动支链及第三运动支链的下端均通过虎克铰与基板连接。
2.如权利要求1所述的并联式多自由度踝关节康复训练器，其特征在于：所述大腿支撑座内杆与所述大腿支撑座外杆滑动连接，锁紧螺钉将所述大腿支撑座内杆与所述大腿支撑座外杆固定连接。
3.如权利要求1所述的并联式多自由度踝关节康复训练器，其特征在于：所述的第一运动支链包括：第一伸缩杆、第一直线轴承、第一外套筒、第一滚珠丝杠、第一滚珠螺母、第一轴承座、第一轴承、第一丝杠同步带轮、第一连接套筒、第一虎克铰输出轴、第一虎克铰固定基座、第一同步齿形带、第一电机同步带轮、第一电机连接板、第一伺服电机、第一导向键，其中：第一伸缩杆套接在第一直线轴承内部，第一直线轴承安装于第一外套筒上端；第一伸缩杆下端还与第一滚珠螺母固定连接，第一滚珠螺母螺纹套接在第一滚珠丝杠之上，且第一滚珠螺母还与第一导向键固定连接，第一导向键与第一外套筒内壁滑动设置；第一滚珠丝杠下端通过第一轴承支撑在第一轴承座之上，第一轴承座固定于第一外套筒下端，第一丝杠同步带轮安装于第一滚珠丝杠下端，第一丝杠同步带轮通过第一同步齿形带与第一电机同步带轮连接，第一电机同步带轮安装于第一伺服电机的输出轴，第一伺服电机通过第一电机连接板与第一外套筒固定连接，第一外套筒、第一电机连接板通过第一连接套筒与第一虎克铰输出轴固定连接；第一虎克铰输出轴转动连接在第一虎克铰固定基座上，第一虎克铰固定基座固定在基板上。
4.如权利要求3所述的并联式多自由度踝关节康复训练器，其特征在于：所述的第二运动支链与第一运动支链结构相同。
5.如权利要求3所述的并联式多自由度踝关节康复训练器，其特征在于：所述的第三运动支链与第一运动支链结构相同。
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