CN103767815A - 前置式动力性踝足康复矫形器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种前置式动力性踝足康复矫形器，该康复矫形器包括穿戴模块、无刷伺服直流电机、电机驱动器、ARM控制器、电池和复合式传动模块；穿戴模块通过尼龙粘扣固定在人体小腿上，小腿主支架与人体小腿对应贴合，脚柄、脚托与人体踝足对应贴合；无刷伺服直流电机通过调高谐波减速传动单元中谐波组件的减速比实现降低转速与提升转矩的作用，谐波减速传动单元与锥齿轮传动单元连接，通过锥齿轮实现传动的换向作用，并通过梯形齿同步带实现减震缓冲的作用，最终动力传动到模拟踝关节位置处，实现踝关节的跖屈背屈运动，限位开关安装在模拟踝关节处防止踝关节运动角度过大；本发明能够帮助踝足损伤的病人进行功能康复训练，其便携性好、控制精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种矫形器，具体涉及一种前置式动力性踝足康复矫形器，属于康复医疗器械技术领域。
背景技术
综合国内外研究发现，踝足康复矫形器主要分为三种：固定式踝足康复矫形器、动态式踝足康复矫形器以及动力性踝足康复矫形器。其中，固定式踝足矫形器一旦成型其形状大小一般不可调整，也不能根据患者的损伤程度控制力的大小，因此固定式踝足矫形器有明显不足：阻碍正常的踝关节运动，步态僵硬，长期穿戴导致局部肌肉功能下降；限制了足离地时蹬地动作，减少了步行时向前的动力；阻碍了步行中踝关节的主动稳定性反应和平衡反应。动态式踝足康复矫形器比固定式踝足矫形器多了一个可以调节活动角度的金属关节，但是它仍然不能根据正常踝关节的生理运动轨迹主动提供所缺动力，因此仍有较大局限性。动力性踝足矫形器可以根据正常踝关节的生理运动轨迹主动提供所缺动力，现在的研究大多集中于在康复机器人的前部和后部加气动肌肉来控制机器人行走时的踝关节的背屈和跖屈运动，但这种矫形器重量比较大，便携性差，且不易控制。
动力性踝足矫形器根据动力装置的安装位置分为前置式、后置式和复合式。一般后置式安装空间大，但占用额外空间，容易发生碰撞，且动力装置安装在人体后侧，不方便观察。而前置式踝足矫形器，充分利用脚背上方的空间，虽然安装空间相对较小，但不会占用人体周围的额外空间，更能节省空间减少碰撞。此外由于前置式踝足矫形器的动力装置安装在人体前侧视野范围内，方便观察和处置突发状况，更人性化。但现有还没有能够给满足患者要求的前置式踝足矫形器。
发明内容
为了克服固定式踝足矫形器和动态式踝足康复矫形器不能为患者提供辅助力矩，以及现有动力性踝足矫形器重量较大、便携性差且控制的精度低等缺陷，本发明提供了一种应用电机驱动方式为患者提供辅助力矩且便携性好、控制精度高的前置式动力性踝足康复矫形器，来帮助踝足损伤的病人进行踝足部分的功能康复训练。
一种前置式动力性踝足康复矫形器，该康复矫形器包括穿戴模块、无刷伺服直流电机、电机驱动器、ARM控制器、电池和复合式传动模块；
所述穿戴模块包括尼龙粘扣、小腿主支架、电机座支架、轴承座支架、脚柄和脚托，电机座支架和轴承座支架与两个小腿主支架焊接成一体，两个小腿主支架下端与脚柄上端之间通过连接轴和滚动轴承活动连接，尼龙粘扣粘接在两个小腿主支架之间，脚托安装在脚柄下端；
所述复合式传动模块包括谐波减速传动单元、锥齿轮传动单元和梯形齿同步带传动单元；
谐波减速传动单元包括传动座、电机座、轴套、谐波组件、输出轴和滚动轴承，其中谐波组件包括波发生器、刚轮、柔轮和谐波外壳，波发生器与柔轮为过渡配合，柔轮与钢轮为齿轮啮合，三者安装在谐波外壳内；电机座和谐波外壳分别安装在传动座的上下端面上，轴套外圈与波发生器连接，钢轮穿过传动座的中心孔并安装在电机座上，柔轮安装在输出轴上，输出轴与谐波外壳通过滚动轴承连接；
锥齿轮传动单元包括轴承座、小锥齿轮轴、大锥齿轮、主传动轴和滚动轴承，主传动轴、小锥齿轮轴与轴承座均通过滚动轴承连接，主传动轴上安装大锥齿轮，大锥齿轮和小锥齿轮轴上的小锥齿轮啮合；
梯形齿同步带传动单元包括小同步带轮、大同步带轮和梯形齿同步带，小同步带轮、大同步带轮和梯形齿同步带之间均为带齿啮合；
整体安装关系：无刷伺服直流电机安装在谐波减速传动单元的电机座上，电机轴与轴套嵌套连接，谐波减速传动单元通过传动座安装在穿戴模块中的电机座支架上，锥齿轮传动单元通过轴承座安装在穿戴模块中的轴承座支架上，锥齿轮传动单元的小锥齿轮轴与谐波减速传动单元的输出轴固连，梯形齿同步带传动单元中的小同步带轮与主传动轴固连，大同步带轮与穿戴模块中的连接轴固连；无刷伺服直流电机与电机驱动器连接，电机驱动器与ARM控制器连接，电池分别给电机驱动器和ARM控制器供电。
所述脚柄上端与小腿主支架下端之间通过模拟踝关节连接；
模拟踝关节包括踝部传动轴、轴端挡板、滚动轴承和轴承端盖，其中踝部传动轴上安装滚动轴承，踝部传动轴的一端穿过脚柄并通过轴端挡板安装在脚柄上，另一端穿过小腿主支架并通过轴承端盖安装在小腿主支架上。
所述康复矫形器还包括限位开关，其中限位开关包括前限位开关、后限位开关、开关触动柱和限位开关座，前限位开关和后限位开关水平安装在限位开关座上，前限位开关位于后限位开关前方，限位开关的限位开关座安装在小腿主支架的底面上，开关触动柱一端安装在脚柄的侧面上，另一端位于前限位开关和后限位开关之间。
所述锥齿轮传动单元还包括顶紧垫片和拧紧螺母，两者均安装在主传动轴上并位于大锥齿轮的两侧，保证大锥齿轮和小锥齿轮轴上的小锥齿轮紧密啮合。
所述锥齿轮传动单元还包括皮带压紧轮，皮带压紧轮通过轮轴也安装在轴承座上，轮轴与主传动轴平行布置，皮带压紧轮压紧梯形齿同步带使其紧密啮合在小同步带轮和大同步带轮上。
有益效果：
（1）本发明的电机和复合传动模块等安装在穿戴模块前部的电机座支架、轴承座支架上，并位于人体足背上方，充分利用了足背上方的空间，具有前置式踝足矫形器的明显优点，节省空间、减少碰撞、方便观察且方便处置突发状况，使其更人性化，能够帮助踝足损伤的病人进行踝足部分的功能康复训练，能够代替医护人员对病人进行有效的物理治疗，降低了对医护人员的依赖，有利于保证充足的训练时间和足够的训练强度；
复合式传动模块采用“强轮—伞齿—软带”的复合形式，能够实现大减速比、改变传动方向和减震缓冲的功能，能够把动力由电机输出轴上的竖直方向转换成水平方向并传递到模拟踝关节处的踝部传动轴上，很好的克服了前置式动力性踝足康复矫形器安装空间小的问题。
（2）本发明脚柄与小腿主支架下端之间通过模拟踝关节连接，其连接安全可靠，且模拟踝关节采用限位开关进行限位，在限位开关的作用下模拟踝关节允许人体踝足在安全的范围内做背屈跖屈运动，减少了对踝关节正常运动的阻碍，避免了因长期穿戴固定式踝足矫形器而造成的步态僵硬和局部肌肉功能下降等情况的产生，有利于提高步行中踝关节的主动稳定性反应和平衡反应。
附图说明
图1为本发明前置式动力性踝足康复矫形器的整体结构图。
图2是本发明康复矫形器中穿戴模块的结构图。
图3是本发明的模拟踝关节结构图。
图4是本发明的限位开关结构图及限位原理。
图5是本发明复合式机械传动模块中谐波减速传动单元的结构图。
图6是本发明复合式机械传动模块中锥齿轮传动单元的结构图及消隙原理。
图7是本发明复合式机械传动模块中梯形齿同步带传动单元的结构图。
其中，1-穿戴模块、2-模拟踝关节、3-限位开关、4-无刷伺服直流电机、5-电机驱动器、6-ARM控制器、7-电池、8-复合式传动模块、9-尼龙粘扣、10-小腿主支架、11-电机座支架、12-轴承座支架、13-脚柄、14-脚托、15-踝部传动轴、16-轴端挡板、17-滚动轴承、18-轴承端盖、19-前限位开关、20-后限位开关、21-开关触动柱、22-限位开关座、23-谐波减速传动单元、24-传动座、25-电机座、26-轴套、27-波发生器、28-刚轮、29-柔轮、30-谐波外壳、31-输出轴、32-滚动轴承、33-锥齿轮传动单元、34-轴承座、35-小锥齿轮轴、36-大锥齿轮、37-主传动轴、38-顶紧垫片、39-拧紧螺母、40-皮带压紧轮、41-滚动轴承Ⅰ、42-滚动轴承Ⅱ、43-梯形齿同步带传动单元、44-小同步带轮、45-大同步带轮、46-梯形齿同步带
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明提供了一种前置式动力性踝足康复矫形器，该矫形器包括穿戴模块1、模拟踝关节2、限位开关3、无刷伺服直流电机4、电机驱动器5、ARM控制器6、电池7和复合式传动模块8。
模拟踝关节2和穿戴模块1为螺钉连接及过渡配合，限位开关3和穿戴模块1为螺钉连接，无刷伺服直流电机4和复合式传动模块8为螺钉连接及键连接，复合式传动模块8和穿戴模块1为螺钉连接，复合式传动模块8和模拟踝关节2为键连接，电机驱动器5、ARM控制器6、电池7用尼龙粘扣固定在人体腰部，无刷伺服直流电机4与电机驱动器5连接，电机驱动器5与ARM控制器6连接，电池7分别给电机驱动器5和ARM控制器6供电。
无刷伺服直流电机、电机驱动器、ARM控制器、电池等组成控制模块，充分利用了电机控制具有清洁高效，携带方便，控制方法成熟，控制精度高、稳定性好的优点来完成踝关节的背屈和跖屈运动。
如附图2所示，穿戴模块1包括尼龙粘扣9、小腿主支架10、电机座支架11、轴承座支架12、脚柄13和脚托14。尼龙粘扣9和小腿主支架10为粘接，电机座支架11和小腿主支架10为焊接，轴承座支架12和小腿主支架10为焊接，电机座支架11位于轴承座支架12上方，两者均与尼龙粘扣9位置相对应，脚柄13与脚托14为螺钉连接，脚柄13上端与小腿主支架10下端之间通过模拟踝关节2连接。脚托14设计成只有后脚掌的形式，即足底前端位于实验者脚掌的中心位置，这样既可以减轻踝足矫形器的重量同时也不影响患者进行正常的脚趾屈曲运动。
如附图3所示，模拟踝关节2包括踝部传动轴15、轴端挡板16、滚动轴承17和轴承端盖18。踝部传动轴15一端通过轴端挡板16加螺钉紧固的方法安装固定在穿戴模块1的脚柄13上，踝部传动轴15另一端安装滚动轴承17，并通过轴承端盖18加螺钉紧固的方法安装固定在小腿主支架10下端，通过滚动轴承17实现小腿主支架10与踝足脚柄13、脚托14部分的相对转动，以实现辅助人体踝足进行背屈跖屈的功能。
如附图4所示，限位开关3包括前限位开关19、后限位开关20、开关触动柱21和限位开关座22，前限位开关19和后限位开关20水平安装在限位开关座22上，前限位开关19位于后限位开关20前方，限位开关3的限位开关座22通过螺钉连接安装在小腿主支架10的底面上，开关触动柱21一端安装在踝足脚柄13的侧面上，另一端位于前限位开关19和后限位开关20之间。当踝足背屈角度达到设定的最大位置时，开关触动柱21的端部作用于前限位开关19使其闭合；当踝足产生的跖屈角度达到设定的最大位置时，开关触动柱21的端部作用于后限位开关20使其闭合，限位开关3可以防止模拟踝关节2运动角度过大。
复合式机械传动模块8采用“强轮—伞齿—软带”的复合形式，即复合式机械传动模块8包括谐波减速传动单元23、锥齿轮传动单元33和梯形齿同步带传动单元43。
如附图5所示，谐波减速传动单元23包括传动座24、电机座25、轴套26、谐波组件、输出轴31和滚动轴承32，其中谐波组件包括波发生器27、刚轮28、柔轮29和谐波外壳30。直流无刷伺服电机4通过螺钉紧固的方法安装在电机座25上，电机座25和谐波外壳30通过螺栓连接分别安装固定在传动座24的上下端面上，电机轴与轴套26内孔为紧定螺钉连接，轴套26外圈与波发生器27为键连接，波发生器27与柔轮29为过渡配合，柔轮29与钢轮28为齿轮啮合，钢轮28穿过传动座24的中心孔并通过螺钉连接安装固定在电机座25上，柔轮29通过螺钉连接安装固定在输出轴31上，输出轴31与谐波外壳30由滚动轴承32连接，电机轴输出的旋转运动通过谐波组件——波发生器27、柔轮29、钢轮28的减速作用传递到输出轴31上，波发生器27能够使柔轮29按一定变形规律产生周期性弹性变形波。谐波减速传动单元23通过传动座24安装在穿戴模块1中的电机座支架11上。
如附图6所示，锥齿轮传动单元33包括轴承座34、小锥齿轮轴35、大锥齿轮36、主传动轴37、顶紧垫片38、拧紧螺母39、皮带压紧轮40、滚动轴承Ⅰ41、滚动轴承Ⅱ42。谐波减速传动单元23的输出轴31与小锥齿轮轴35为键连接，小锥齿轮轴35与轴承座34由滚动轴承Ⅰ41连接，小锥齿轮轴35上的小锥齿轮与大锥齿轮36为齿轮啮合，大锥齿轮36与主传动轴37为键连接，主传动轴37与轴承座34由滚动轴承Ⅱ42连接，顶紧垫片38、拧紧螺母39安装在主传动轴37上并位于大锥齿轮36的两侧，通过改变顶紧垫片38的厚度或数量使大锥齿轮36和小锥齿轮轴35上的小锥齿轮紧密啮合从而消除齿侧间隙，皮带压紧轮40通过螺栓连接安装固定在轴承座34上，谐波减速传动单元23的输出轴31输出的旋转运动经小锥齿轮轴35和大锥齿轮36的啮合减速传递给主传动轴37。
如附图7所示，梯形齿同步带传动单元43包括小同步带轮44、大同步带轮45和梯形齿同步带46。锥齿轮传动单元33的主传动轴37与小同步带轮44为键连接，小同步带轮44与梯形齿同步带46为带齿啮合，梯形齿同步带46与大同步带轮45为带齿啮合，大同步带轮45与模拟踝关节2的踝部传动轴15为键连接，皮带压紧轮40使梯形齿同步带46紧密啮合在小同步带轮44和大同步带轮45上以消除跳齿现象，锥齿轮传动单元33的主传动轴37输出的旋转运动经梯形齿同步带传动单元43的进一步减速、减震缓冲最终传递给模拟踝关节2的踝部传动轴15，以实现辅助人体踝足进行背屈跖屈的功能。
工作原理：穿戴模块1通过尼龙粘扣9固定在人体小腿上，小腿主支架10与人体小腿对应贴合，脚柄13、脚托14与人体踝足对应贴合，无刷伺服直流电机4和复合式机械传动模块8等位于人体足背上方，充分利用了足背上方的空间，具有前置式踝足矫形器的明显优点。
无刷伺服直流电机4通过调高谐波减速传动单元23中谐波组件的减速比实现降低转速与提升转矩的作用，谐波减速传动单元23与锥齿轮传动单元33连接，通过锥齿轮实现传动的换向作用，锥齿轮传动单元33与梯形齿同步带传动单元43连接，通过梯形齿同步带46实现减震缓冲的作用，最终动力传动到模拟踝关节2位置处，实现踝关节的跖屈背屈运动，限位开关3安装在模拟踝关节2处防止踝关节运动角度过大。
本发明适用于踝足部位关节的康复训练，能够在人体步行过程中为踝关节提供跖屈背屈力矩以辅助人体的行走，从而克服常见的康复装置将踝关节限制在固定场所的不足。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种前置式动力性踝足康复矫形器，其特征在于，该康复矫形器包括穿戴模块（1）、无刷伺服直流电机（4）、电机驱动器（5）、ARM控制器（6）、电池（7）和复合式传动模块（8）；
所述穿戴模块（1）包括尼龙粘扣（9）、小腿主支架（10）、电机座支架（11）、轴承座支架（12）、脚柄（13）和脚托（14），电机座支架（11）和轴承座支架（12）与两个小腿主支架（10）焊接成一体，两个小腿主支架（10）下端与脚柄（13）上端之间通过连接轴和滚动轴承活动连接，尼龙粘扣（9）粘接在两个小腿主支架（10）之间，脚托（14）安装在脚柄（13）下端；
所述复合式传动模块（8）包括谐波减速传动单元（23）、锥齿轮传动单元（33）和梯形齿同步带传动单元（43）；
谐波减速传动单元（23）包括传动座（24）、电机座（25）、轴套（26）、谐波组件、输出轴（31）和滚动轴承（32），其中谐波组件包括波发生器（27）、刚轮（28）、柔轮（29）和谐波外壳（30），波发生器（27）与柔轮（29）为过渡配合，柔轮（29）与钢轮（28）为齿轮啮合，三者安装在谐波外壳（30）内；电机座（25）和谐波外壳（30）分别安装在传动座（24）的上下端面上，轴套（26）外圈与波发生器（27）连接，钢轮（28）穿过传动座（24）的中心孔并安装在电机座（25）上，柔轮（29）安装在输出轴（31）上，输出轴（31）与谐波外壳（30）通过滚动轴承（32）连接；
锥齿轮传动单元（33）包括轴承座（34）、小锥齿轮轴（35）、大锥齿轮（36）、主传动轴（37）和滚动轴承，主传动轴（37）、小锥齿轮轴（35）与轴承座（34）均通过滚动轴承连接，主传动轴（37）上安装大锥齿轮（36），大锥齿轮（36）和小锥齿轮轴（35）上的小锥齿轮啮合；
梯形齿同步带传动单元（43）包括小同步带轮（44）、大同步带轮（45）和梯形齿同步带（46），小同步带轮（44）、大同步带轮（45）和梯形齿同步带（46）之间均为带齿啮合；
整体安装关系：无刷伺服直流电机（4）安装在谐波减速传动单元（23）的电机座（25）上，电机轴与轴套（26）嵌套连接，谐波减速传动单元（23）通过传动座（24）安装在穿戴模块（1）中的电机座支架（11）上，锥齿轮传动单元（33）通过轴承座（34）安装在穿戴模块（1）中的轴承座支架（12）上，锥齿轮传动单元（33）的小锥齿轮轴（35）与谐波减速传动单元（23）的输出轴（31）固连，梯形齿同步带传动单元（43）中的小同步带轮（44）与主传动轴（37）固连，大同步带轮（45）与穿戴模块（1）中的连接轴固连；无刷伺服直流电机（4）与电机驱动器（5）连接，电机驱动器（5）与ARM控制器（6）连接，电池（7）分别给电机驱动器（5）和ARM控制器（6）供电。
2.如权利要求1所述的前置式动力性踝足康复矫形器，其特征在于，所述脚柄（13）上端与小腿主支架（10）下端之间通过模拟踝关节（2）连接；
模拟踝关节（2）包括踝部传动轴（15）、轴端挡板（16）、滚动轴承（17）和轴承端盖（18），其中踝部传动轴（15）上安装滚动轴承（17），踝部传动轴（15）的一端穿过脚柄（13）并通过轴端挡板（16）安装在脚柄（13）上，另一端穿过小腿主支架（10）并通过轴承端盖（18）安装在小腿主支架（10）上。
3.如权利要求1所述的前置式动力性踝足康复矫形器，其特征在于，所述康复矫形器还包括限位开关（3），其中限位开关（3）包括前限位开关（19）、后限位开关（20）、开关触动柱（21）和限位开关座（22），前限位开关（19）和后限位开关（20）水平安装在限位开关座（22）上，前限位开关（19）位于后限位开关（20）前方，限位开关（3）的限位开关座（22）安装在小腿主支架（10）的底面上，开关触动柱（21）一端安装在脚柄（13）的侧面上，另一端位于前限位开关（19）和后限位开关（20）之间。
4.如权利要求1所述的前置式动力性踝足康复矫形器，其特征在于，所述锥齿轮传动单元（33）还包括顶紧垫片（38）和拧紧螺母（39），两者均安装在主传动轴（37）上并位于大锥齿轮（36）的两侧，保证大锥齿轮（36）和小锥齿轮轴（35）上的小锥齿轮紧密啮合。
5.如权利要求1所述的前置式动力性踝足康复矫形器，其特征在于，所述锥齿轮传动单元（33）还包括皮带压紧轮（40），皮带压紧轮（40）通过轮轴也安装在轴承座（34）上，轮轴与主传动轴（37）平行布置，皮带压紧轮（40）压紧梯形齿同步带（46）使其紧密啮合在小同步带轮（44）和大同步带轮（45）上。
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