CN103976848B - 多自由度的踝关节动力外骨骼 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多自由度的踝关节动力外骨骼，其包括两平行设置的机座，两分别沿冠状轴水平支撑在两机座上部的转动轴，两分别固连在两转动轴内端且具有悬臂端的屈伸连接件，两分别固连在两屈伸连接件悬臂端上的弧形轨道，两分别滑动设置在两弧形轨道上的滑块，两上端分别固连在两滑块上的L型连接件，两分别固连在两L型连接件下端且沿矢状轴平行间隔布置的滚动导轨，一沿矢状轴滚动设置在两滚动导轨上部的脚板，以及一水平固连在其中一侧机座上的驱动器；脚板的底部具有一水平面转动轴，水平面转动轴转动插设在两滚动导轨之间；驱动器的输出轴与位于该机座上的转动轴动力连接。本发明可以自适应踝关节的内/外翻、内/外旋和沿矢状轴前后移动的三类耦合运动，在保证患者康复运动安全性的同时，还能提高康复疗效。

Description

多自由度的踝关节动力外骨骼
技术领域
本发明涉及一种智能仿生康复设备，具体涉及一种基于仿生学的主、被动运动相结合适应于踝关节解剖学结构的多自由度的踝关节动力外骨骼。
背景技术
目前，我国脑卒中(中风)的发病率正以每年近9％的速度上升，是我国影响范围最大的疾病。中风的致残率很高，它会使患者丧失劳动力、生活不能自理，其中患者踝部的主要外周表现为小腿后侧肌肉痉挛/挛缩，引起患者踝关节功能性障碍，比如足下垂或内外翻症状，这会严重影响患者正常行走。目前市场上广泛存在的踝关节的康复设备、矫形器或外骨骼都是使踝关节进行跖屈/背屈的单一运动，而依据人体生物解剖学，踝关节在做跖屈/背屈运动时，并不是单自由度的运动，而是会耦合着其他五个自由度(内/外翻、内/外旋、三个直线位移)的运动。其中最主要的是同时伴随着在冠状面的内/外翻运动(7°)、沿矢状轴的直线运动(12mm)和水平面的内/外旋运动(7.6°)。另外，如果强制做单一方向运动的话，也是对踝关节的再次损伤，而且舒适性、安全性、适应性及康复效果都很差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于仿生学的主、被动运动相结合适应于踝关节解剖学结构的多自由度的踝关节动力外骨骼。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种多自由度的踝关节动力外骨骼，其特征在于，该动力外骨骼包括：两平行设置的机座，两分别沿冠状轴水平支撑在两所述机座上部的转动轴，两分别固连在两所述转动轴内端且具有悬臂端的屈伸连接件，两分别固连在两所述屈伸连接件的悬臂端上的弧形轨道，两分别滑动设置在两弧形轨道上的滑块，两上端分别固连在两所述滑块上的L型连接件，两分别固连在两所述L型连接件下端且沿矢状轴平行间隔布置的滚动导轨，一沿矢状轴滚动设置在两所述滚动导轨上部的脚板，以及一水平固连在其中一侧所述机座上的驱动器；其中，两所述屈伸连接件、两所述弧形轨道、两所述滑块以及两所述L型连接件均关于垂直轴对称；所述脚板的底部具有一水平面转动轴，所述水平面转动轴转动插设在两所述滚动导轨之间；所述驱动器的输出轴与位于该机座上的所述转动轴动力连接。
在一个优选的实施例中，所述转动轴通过一轴承支撑在所述机座上部。
在一个优选的实施例中，所述弧形轨道通过一弧形轨道固定件与所述屈伸连接件固连。
在一个优选的实施例中，所述滑块通过一滑块固定件与所述L型连接件固连。
在一个优选的实施例中，在两所述滚动导轨的两端之间分别设置有一挡块，以使两所述滚动导轨与两所述挡块围成一滑槽，所述水平面转动轴转动插设在所述滑槽内。
在一个优选的实施例中，所述驱动器的输出轴通过减速装置和联轴器与所述转动轴连接。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明与市场上现有的设备相比，其基于踝关节解剖学和运动耦合特点而设计，是一种主、被动相结合的多自由度医疗器械。在康复运动中，驱动器驱动动力外骨骼带动踝关节进行跖屈/背屈运动时，由于踝关节在运动过程中存在运动的耦合性，动力外骨骼可被动地分别在冠状面绕旋转中心转动、在水平面绕水平转动轴转动和沿矢状轴前后移动，分别自适应内/外翻、内/外旋运动及沿矢状轴的的直线运动，解决动力外骨骼和踝关节运动轴线重合的问题，从而增大踝关节运动范围，使比目鱼肌和腓肠肌得到更大范围的放松，在保证患者康复运动安全性的同时，还能提高康复疗效。2、本发明实现的自适应运动具有相互独立性，即运动可独立发生，也可同时发生，且运动无先后顺序。因此，本发明可适应不同程度的病患使用，使用中具有广泛性。由此可见，本发明能够为患者提供康复和助力、代偿，而且保证舒适、安全，可以广泛的使用在踝关节康复上。
附图说明
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
图1是本发明动力外骨骼的整体结构示意图；
图2是本发明脚板的结构示意图；
图3是本发明动力外骨骼的内/外翻耦合运动工作图；
图4是本发明动力外骨骼的内/外旋及沿矢状轴前后移动的两类耦合运动工作图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
图1、图2显示了根据本发明提供的动力外骨骼100，该动力外骨骼100包括两平行设置的机座1，每一机座1的上部均通过轴承2沿冠状轴(X轴)水平支撑一转动轴3。每一转动轴3的内端均固连一具有悬臂端的屈伸连接件4，每一屈伸连接件4的悬臂端上分别通过一弧形轨道固定件5固连一弧形轨道6，每一弧形轨道6上均滑动设置一滑块7，每一滑块7上均固连一滑块固定件8，每一滑块固定件8上均固连一L型连接件9的上端，且两屈伸连接件4、两弧形轨道6、两滑块7以及两L型连接件9均关于垂直轴(Z轴)对称。每一L型连接件9的下端均固连一滚动导轨10，且两滚动导轨10沿矢状轴(Y轴)平行间隔设置。在两滚动导轨10的两端之间分别设置有一挡块11，以使两滚动导轨10与两挡块11围成一滑槽。在两滚动导轨10的上部沿矢状轴滚动设置一脚板12，且脚板12的底部具有一水平面转动轴13，该水平面转动轴13转动插设在两滚动导轨10与两挡块11围成的滑槽内。在其中一机座1的外侧通过驱动器支架14水平固连一驱动器15，驱动器15的输出轴通过减速装置16和联轴器17与位于该机座1上的转动轴3动力连接。
本发明使用时，在开始运动之前，将患者的脚通过绑带固定于脚板12上，动力外骨骼100自调节适应踝关节的足下垂或内/外翻的病理特征，使踝关节的运动中心和动力外骨骼100的转动中心(O点)重合。踝关节根据自身结构的调整，可驱动相应零部件分别调节动力外骨骼100使其适应于踝关节的病理特征，具体过程如下述：踝关节驱动滑块7经过滑块固定件8使得L型连接件9绕O点转动，此时L型连接件9经过滚动导轨10和脚板12调节踝关节在冠状面(XOZ平面)的内/外翻运动；此外，踝关节可驱动脚板12通过水平转动轴13在两滚动滑轨10之间转动，调节踝关节在水平面(XOY平面)的内/外旋运动；同时，踝关节驱动脚板12沿滚动滑轨10做直线运动，完成沿矢状轴的位移量。需要说明的是，动力外骨骼100实现的自适应运动具有相互独立性，即运动可独立发生，也可同时发生，且运动无先后顺序。因此，该动力外骨骼100可适应不同程度的病患使用，使用中具有广泛性。
在康复运动中，如图3所示，驱动器15驱动转动轴3带动弧形轨道6，踝关节通过滑块7使得L型连接件9绕X轴转动完成跖屈/背屈运动，同时动坐标系XOZ中的OX轴绕Y轴转动到OX′轴位置，实现在XOZ平面绕O点转动，动力外骨骼100自适应踝关节的内/外翻耦合运动。
如图4所示，脚板12通过水平转动轴13带动L型连接件9绕O′点(O′点为O点在XOY平面上的投影)转动或沿滚动轨道10直线移动，动坐标轴O′X、O′Y分别绕O′点实时运动到O″X″位置、O″Y″位置，动力外骨骼100自适应踝关节的内/外旋和沿矢状轴前后移动的两类耦合运动。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种多自由度的踝关节动力外骨骼，该动力外骨骼包括两平行设置的机座，其特征在于，还包括：
两分别沿冠状轴水平支撑在两所述机座上部的转动轴，
两分别固连在两所述转动轴内端且具有悬臂端的屈伸连接件，
两分别固连在两所述屈伸连接件的悬臂端上的弧形轨道，
两分别滑动设置在两弧形轨道上的滑块，
两上端分别固连在两所述滑块上的L型连接件，
两分别固连在两所述L型连接件下端且沿矢状轴平行间隔布置的滚动导轨，
一沿矢状轴滚动设置在两所述滚动导轨上部的脚板，以及
一水平固连在其中一侧所述机座上的驱动器；
其中，两所述屈伸连接件、两所述弧形轨道、两所述滑块以及两所述L型连接件均关于垂直轴对称；所述脚板的底部具有一水平面转动轴，所述水平面转动轴转动插设在两所述滚动导轨之间；所述驱动器的输出轴与位于该机座上的所述转动轴动力连接。
2.如权利要求1所述的多自由度的踝关节动力外骨骼，其特征在于，所述转动轴通过一轴承支撑在所述机座上部。
3.如权利要求1所述的多自由度的踝关节动力外骨骼，其特征在于，所述弧形轨道通过一弧形轨道固定件与所述屈伸连接件固连。
4.如权利要求2所述的多自由度的踝关节动力外骨骼，其特征在于，所述弧形轨道通过一弧形轨道固定件与所述屈伸连接件固连。
5.如权利要求1或2或3或4所述的多自由度的踝关节动力外骨骼，其特征在于，所述滑块通过一滑块固定件与所述L型连接件固连。
6.如权利要求1或2或3或4所述的多自由度的踝关节动力外骨骼，其特征在于，在两所述滚动导轨的两端之间分别设置有一挡块，以使两所述滚动导轨与两所述挡块围成一滑槽，所述水平面转动轴转动插设在所述滑槽内。
7.如权利要求5所述的多自由度的踝关节动力外骨骼，其特征在于，在两所述滚动导轨的两端之间分别设置有一挡块，以使两所述滚动导轨与两所述挡块围成一滑槽，所述水平面转动轴转动插设在所述滑槽内。
8.如权利要求1或2或3或4或7所述的多自由度的踝关节动力外骨骼，其特征在于，所述驱动器的输出轴通过减速装置和联轴器与所述转动轴连接。
9.如权利要求5所述的多自由度的踝关节动力外骨骼，其特征在于，所述驱动器的输出轴通过减速装置和联轴器与所述转动轴连接。
10.如权利要求6所述的多自由度的踝关节动力外骨骼，其特征在于，所述驱动器的输出轴通过减速装置和联轴器与所述转动轴连接。
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