CN102028604B

CN102028604B - 并联式踝关节康复训练器

Info

Publication number: CN102028604B
Application number: CN201010600198A
Authority: CN
Inventors: 印松
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: CN102028604A

Abstract

本发明涉及一种并联式踝关节康复训练器，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、能够伸缩的第一运动支链及第二运动支链、固定吊耳、足底支撑板吊耳、绳索；第一运动支链及第二运动支链的静止外框与基板固定连接，第一运动支链及第二运动支链的伸缩端均通过球铰与足底支撑板连接；绳索连接固定吊耳与足底支撑板吊耳。本发明采用2-PSS/S型并联机构，能够实现两个转动自由度，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；通过采用简单的结构真实模拟踝关节的主要运动，仿生性高；原动件静止，动态性能好。

Description

并联式踝关节康复训练器

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，其中内旋/外旋角度较小，因此其主要运动形式为前两种。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，提供一种结构简单的踝关节康复训练器，能够满足踝关节背伸/跖屈、内翻/外翻两种转动的需要，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踝关节康复训练器，包括：大腿支撑座、大腿支撑座内杆、锁紧螺钉、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，还包括能够伸缩的第一运动支链和能够伸缩的第二运动支链，所述第一运动支链的外框与基板固定连接，第二运动支链的外框与基板固定连接，第一运动支链及第二运动支链的伸缩部均通过球铰与足底支撑板连接；固定吊耳、足底支撑板吊耳、绳索，所述固定吊耳设置在大腿支撑座外杆上、足底支撑板吊耳设置在足底支撑板上，所述绳索的一端与固定吊耳固定、另一端与足底支撑板吊耳固定。

本发明采用2-PSS/S型并联机构，具有两个转动自由度，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；通过采用简单的结构真实模拟踝关节的主要运动，仿生性高；原动件静止，动态性能好。

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1(b)是本发明的左视图；

图2是第一运动支链的结构示意图，其中图2(a)是第一运动支链的主剖视图，图2(b)是第一运动支链的除去第一连杆之后的侧剖视图；

图3是本发明的等效2-PSS/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11、足底支撑板8、第一运动支链10、第二运动支链7、第一运动支链支撑架9、第二运动支链支撑架6、基板5、固定吊耳40、足底支撑板吊耳13、绳索12，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11与大腿支撑座外杆4固定连接；能够伸缩的第一运动支链10的静止外框通过第一运动支链支撑架9与基板5固定连接，能够伸缩的第二运动支链7的静止外框通过第二运动支链支撑架6与基板5固定连接，第一运动支链10的伸缩部及第二运动支链7的伸缩部均通过球铰与足底支撑板8连接；所述固定吊耳40设置在大腿支撑座外杆4上、足底支撑板吊耳13设置在足底支撑板8上，所述绳索12的一端与固定吊耳40固定、另一端与足底支撑板吊耳13固定。

如图2所示，所述的第一运动支链10包括：第一外框19、第一下球铰14、第一连杆15、第一上球铰28、第一下轴承座16、第一下轴承18、第一滚珠丝杠17、第一滚珠螺母23、第一滚珠螺母套22、第一线性滑块21、第一直线导轨20、第一上轴承座24、第一上轴承25、第一丝杠同步带轮27、第一伺服电机29、第一电机同步带轮30、第一同步齿形带31、第一电机座26，其中：第一伺服电机29固定在第一电机座26上，第一电机座26固定在第一上轴承座24及第一外框19的上端面，第一滚珠丝杠17两端通过第一下轴承18和第一上轴承25支撑，第一下轴承18和第一上轴承25分别安装在第一下轴承座16和第一上轴承座24上，第一下轴承座16固定在第一外框19的下端，第一上轴承座24固定在第一外框19的上端，第一滚珠螺母23与第一滚珠丝杠17螺纹配合，构成螺旋运动副；所述第一伺服电机29的输出轴上套设有第一电机同步带轮30，第一滚珠丝杠17上套设有第一丝杠同步带轮27，所述第一电机同步带轮30与第一丝杠同步带轮27通过第一同步齿形带31连接；第一滚珠螺母23与第一滚珠螺母套22固定连接，第一滚珠螺母套22的侧面和第一线性滑块21连接，第一直线导轨20安装在第一外框19内，第一线性滑块21滑动设置在第一直线导轨20内，第一上球铰28连接在第一滚珠螺母套22上，第一下球铰14通过第一连杆15与第一上球铰28连接，所述第一下球铰14还与足底支撑板8连接。

所述的第二运动支链7与第一运动支链10结构相同。

所述第一运动支链10、第二运动支链7分别通过各自的下球铰与足底支撑板8铰接。

所述第一运动支链10的外框和第二运动支链7的外框分别通过第一运动支链支撑架9和第二运动支链支撑架6与基板5固定连接。

本实施例通过采用上述结构，形成2-PSS/S型并联机构(其中P-移动副，S-球铰，2-等效自由度为2)，其等效结构示意图如图3所示，第一运动支链10包含移动副37、球面副38和球面副35形成PSS形式的运动链，其上端在点B1处与静平台39固定连接，下端在点P1处通过球面副35与动平台8相连；第二运动支链7包含移动副32、球面副33和球面副34形成PSS形式的运动链，其上端在点B2处与静平台39固定连接，下端在点P2处通过球面副34与动平台8相连；动平台8与静平台39之间在O点处通过球面副36相连；在球面副36的约束下，动平台8只能相对静平台39转动。在球面副36的约束下，通过改变两个运动支链的长度以驱动动平台8产生相对于静平台39绕x轴、y轴的转动。本实施例在实际使用时，将静平台选为基板5，动平台选为足底支撑板9，而约束球面副36选为训练者的踝关节，因此动平台绕球面副36的转动就等效为踝关节的背伸/跖屈、内翻/外翻两种运动。

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8，小腿与小腿连接套11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，在直线导轨的约束下，滚珠螺母(伸缩部)上下移动，并最终推动连杆产生运动，两根运动支链的工作过程原理相同。通过对训练者体格参数的测量，将球面副36建立在训练者的踝关节处，在踝关节的约束下，当两个运动支链伸缩方向相同时，产生踝关节的背伸/跖屈运动；当两个运动支链伸缩方向相反时，产生踝关节的内翻/外翻运动。

为了保证足底支撑板8的正确位置，未使用时，足底支撑板8通过足底支撑板吊耳13、绳索12及固定吊耳40连接到大腿支撑座外杆4上，绳索12、第一运动支链10及第二运动支链7形成足底支撑板8的三点支撑，从而在控制系统中确定足底支撑板8的正确位置。

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；驱动构件少，结构简单；由于该康复训练器能够实现两个可控制的转动，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/外翻运动，提高了踝关节康复训练的有效性。

Claims

1.一种并联式踝关节康复训练器，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：能够伸缩的第一运动支链和能够伸缩的第二运动支链、固定吊耳、足底支撑板吊耳和绳索，所述第一运动支链的外框与基板固定连接，第二运动支链的外框与基板固定连接，第一运动支链及第二运动支链的伸缩部均通过球铰与足底支撑板连接；所述固定吊耳设置在大腿支撑座外杆上、足底支撑板吊耳设置在足底支撑板上，所述绳索的一端与固定吊耳固定、另一端与足底支撑板吊耳固定；

所述的第一运动支链包括：第一外框、第一下球铰、第一连杆、第一上球铰、第一下轴承座、第一下轴承、第一滚珠丝杠、第一滚珠螺母、第一滚珠螺母套、第一线性滑块、第一直线导轨、第一上轴承座、第一上轴承、第一丝杠同步带轮、第一伺服电机、第一电机同步带轮、第一同步齿形带、第一电机座，其中：第一伺服电机固定在第一电机座上，第一电机座固定在第一上轴承座及第一外框的上端面，第一滚珠丝杠两端通过第一下轴承和第一上轴承支撑，第一下轴承和第一上轴承分别安装在第一下轴承座和第一上轴承座上，第一下轴承座固定在第一外框的下端，第一上轴承座固定在第一外框的上端，第一滚珠螺母与第一滚珠丝杠螺纹配合；所述第一伺服电机的输出轴上套设有第一电机同步带轮，第一滚珠丝杠上套设有第一丝杠同步带轮，所述第一电机同步带轮与第一丝杠同步带轮通过第一同步齿形带连接；第一滚珠螺母与第一滚珠螺母套固定连接，第一滚珠螺母套的侧面和第一线性滑块连接，第一直线导轨安装在第一外框内，第一线性滑块滑动设置在第一直线导轨内，第一上球铰连接在第一滚珠螺母套上，第一下球铰通过第一连杆与第一上球铰连接，所述第一下球铰还与足底支撑板连接；

所述的第二运动支链与第一运动支链结构相同。

2.如权利要求1所述的并联式踝关节康复训练器，其特征在于：还包括第一运动支链支撑架、第二运动支链支撑架，所述第一运动支链的外框通过第一运动支链支撑架与基板固定连接，第二运动支链的外框通过第二运动支链支撑架与基板固定连接。

3.如权利要求1所述的并联式踝关节康复训练器，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。