CN104068991B - 一种踝关节康复装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种康复装置，包括动平台、固定平台和用于连接二者的调节机构。动平台顶面设脚底踏板，底面设第一球关节；调节机构包括两驱动装置，至少两第一连接杆、至少两第二连接杆、至少三支撑杆及中心约束杆；中心约束杆下端连接固定平台，上端连接第一球关节；驱动装置、第一连接杆和第二连接杆依次连接，用于水平转动，且各连接处设第二球关节，支撑杆两端分别连接第一球关节和第二球关节，带动动平台转动；脚底踏板设压力传感器和功能电刺激电极。本发明通过上述结构，采用两个驱动装置实现康复装置的三自由度转动，使康复装置控制方便，结构简化，成本降低。本发明还涉及一种康复训练系统，设有三种训练模式，有效帮助患者做康复训练。

Description

一种踝关节康复装置

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种踝关节康复装置。

背景技术

一般来说，并联机构定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。由于其具有刚度重量比大、承载能力强、误差累积小、动态性能好、结构紧凑等特点，因此近年来逐渐地被应用于踝关节康复训练器械领域。

美国鲁特格大学设计出一种基于Stewart平台的踝关节矫形机器,所述装置采用气动驱动机构使动平台完成六个自由度的运动(Girone,M.J.,etal.OthopedicRehabilitionUsingthe“RutgersAnkle”Interface[A].Proc.ofMedicineMeetsVirtualReality2000[C].IOSPress,pp.89-95,January2000.)。

CN100588384C公开了一种生物融合式足关节康复机器人，所述机构以人足仿生为研究基础，将膝下肢体作为运动分支融合到机器人中，并采用直线驱动(丝杠或者气动)来实现足关节康复机器人完成多个自由度的康复运动。

CN201168163Y公开了一种踝关节康复训练机器人，采用直流力矩驱动装置驱动，结合虚拟现实技术和数据库康复评价系统，帮助患者进行踝关节康复训练。

CN102631275B公开了一种踝关节康复训练机器人，设置多根可在导轨内滑动的支撑杆，使患者可实现多个自由度的康复训练。

CN10199970B公开了一种并联式多自由度踝关节康复训练器，采用3-UPS/S型并联结构，设置有三根长度可伸缩的运动支链，使患者可实现三个自由度的康复训练。

CN102028604B公开了一种并联式踝关节康复训练器，通过将足底支撑板设置在两条可伸缩的运动支链之间，使患者可实现两个自由度的康复训练。

虽然现有技术中已公开诸多不同结构的踝关节康复训练器，但是它们仍存在一些问题：

1、使用的驱动装置数量相对较多。为了达到更好的康复作用，满足踝关节康复运动的自由度数目，现有技术往往通过设置较多的驱动装置控制自由度的变量，既增加了设备成本和对设备控制的难度，同时也降低了系统的灵活性。

2、结构复杂，尤其是采用气动或者液动伺服机构的设备，不仅结构非常复杂，而且制造和使用成本很高。

3、设备的康复效果不显著。现有技术中的一些设备可转动的角度很小，使得康复训练的效果不明显，不能满足病患的康复训练需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明人在进行大量的创造性劳动后，完成了本发明。

具体而言，本发明提供一种踝关节康复装置，包括动平台、固定平台和调节机构，所述调节机构上端连接所述动平台，所述调节机构下端连接所述固定平台；所述动平台顶面设有脚底踏板，所述动平台底面设有若干第一球关节；

所述调节机构包括两驱动装置，至少两第一连接杆、至少两第二连接杆、至少三支撑杆及中心约束杆；

所述两驱动装置固设于所述固定平台上，每一所述第一连接杆的一端与一所述驱动装置连接，另一端与一所述第二连接杆的一端连接，两相邻所述第二连接杆的另一端彼此互相连接；

所述中心约束杆下端固设于所述固定平台上，所述中心约束杆上端与所述第一球关节对应连接，每一所述第一连接杆与所述第二连接杆的连接处上端以及两相邻第二连接杆之间的连接处上端设有第二球关节，每一所述支撑杆下端与所述第二球关节对应连接，每一所述支撑杆上端与所述第一球关节对应连接。

优选地，所述的踝关节康复装置，包括动平台、固定平台和调节机构，所述调节机构上端连接所述动平台，所述调节机构下端连接所述固定平台，所述动平台顶面设有脚底踏板，所述动平台底面设有若干第一球关节；

所述调节机构包括两驱动装置，两第一连接杆，两第二连接杆，三支撑杆及一中心约束杆；

所述两驱动装置固设于所述固定平台上，每一所述第一连接杆的一端与一所述驱动装置连接，另一端与一所述第二连接杆的一端连接，所述两第二连接杆的另一端彼此互相连接；

所述中心约束杆下端固设于所述固定平台上，所述中心约束杆上端与所述第一球关节对应连接，每一所述第一连接杆与所述第二连接杆的连接处上端以及两第二连接杆之间的连接处上端设有第二球关节，每一所述支撑杆下端与所述第二球关节对应连接，每一所述支撑杆上端与所述第一球关节对应连接。

进一步地，所述脚底踏板上安装有压力传感器和功能电刺激电极。

应当理解，所述功能电刺激电极用于通过电流刺激足底神经支配的肌肉，提高患者足底神经的反应功能，以提高患者的踝关节康复效率。

优选地，所述驱动装置与所述第一连接杆的连接处、所述第一连接杆与所述第二连接杆的连接处以及两相邻所述第二连接杆之间的连接处均采用销钉连接方式。

优选地，所述动平台底面的中心设有第一球关节，在所述动平台底面的中心至外周之间的区域内围绕所述动平台底面的中心平均分布若干第一球关节，围绕所述动平台底面的中心平均分布的所述第一球关节的数量与所述支撑杆的数量相同。

可选地，所述驱动装置可以焊接在所述固定平台上，也可以螺纹连接在所述固定平台上。

可选地，所述动平台和所述固定平台可以各自独立地为圆形，椭圆形，矩形，圆角矩形，五边形或六边形中的一种。

应当理解，所述驱动装置是用于带动所述第一连接杆运动的动力装置，可以是电机，也可以是其他动力装置。

本发明还提供一种踝关节康复训练系统，包括上述踝关节康复装置和控制系统，所述控制系统包括：

压力传感器，设置于所述脚底踏板上，用于获取足底压力信号；

位置传感器，设置于所述驱动装置内，用于在线记录所述踝关节康复装置在各个运动时刻的位置信息；

信号采集模块，用于采集所述足底压力信号，并将所述足底压力信号传输至计算机模块；

计算机模块，用于接收并处理所述足底压力信号，发出控制指令；

驱动模块，用于根据所述计算机模块发出的控制指令做出相应驱动动作，所述驱动模块包括多轴运动控制卡、驱动器和驱动装置，所述驱动器根据所述多轴运动控制卡的控制指令驱动所述驱动装置运动。

进一步地，所述计算机模块包括人机交互单元，所述人机交互单元用于设定被动控制模式、主动控制模式和阻抗控制模式；

所述被动控制模式用于根据系统设定的固定的康复训练模式向所述驱动模块发出控制指令，由所述驱动模块带动所述康复装置对使用者的踝关节进行训练；

所述主动控制模块用于根据检测到的所述足底压力信号和人体实时位置信号向所述驱动模块发出控制指令，由所述驱动模块驱动所述康复训练装置对使用者的踝关节进行训练；

所述阻抗控制模式用于根据检测到的所述足底压力信号和人体实时位置信号向所述驱动模块发出控制指令，由所述驱动模块驱动所述康复训练装置在使用者的踝关节的运动方向上施加相反的恒定阻力。

进一步地，所述控制系统还包括电刺激电极阵列，设置于所述踝关节康复装置的脚底踏板中，用于刺激足底神经。

本发明的有益效果如下：

1、控制灵活，使用驱动装置较少，实现多自由度转动。

本发明中，驱动驱动装置工作，带动第一连接杆绕驱动装置的竖直方向轴线做水平转动，进而由第一连接杆带动第二连接杆绕连接处的竖直方向轴线做水平转动，由于各连接处的位置发生改变，且各支撑杆下端与各连接处上方的第二球关节连接，因此各连接处带动支撑杆的下端作水平运动。

又由于中心约束杆下端固定，中心约束杆的上端及支撑杆上端均与动平台通过第一球关节连接，因此，支撑杆的运动带动动平台绕支撑杆长度方向的轴线转动，配合支撑杆下端的水平运动，带动动平台实现多自由度的转动。

2、结构简单，成本较低，适于产业化。

本发明中，采用的驱动装置数量较少，其他连接部件和支撑部件的结构相对也简单，易于制造且成本较低。

3、提供多种康复训练模式，康复效果良好。

本发明中，踝关节的康复训练系统提供了被动控制模式、主动控制模式和阻抗控制模式三种控制，根据患者的病情特点，可选择合适的控制模式进行训练，从而达到良好的康复效果。

附图说明

图1是本发明实施例一踝关节康复装置的结构示意图。

图2是本发明实施例一踝关节康复装置的立体分解图。

图3是本发明实施例一踝关节康复装置的调节机构的连接结构示意图(支撑杆和中心约束杆未示出)。

图4是本发明实施例一踝关节康复装置动平台底面的结构示意图。

图5是本发明实施例一踝关节康复装置脚底踏板的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，应当理解的是，这些具体实施方式仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定。

在本发明中，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅为了便于描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参阅图1至图5，本发明的第一实施例是一种踝关节康复装置，该康复装置包括动平台1、固定平台2和调节机构3，该调节机构3上端连接该动平台1，该调节机构下端连接该固定平台2。

该动平台1顶面设有脚底踏板11，该脚底踏板11上安装有压力传感器111和功能电刺激电极112，该动平台1底面设有四个第一球关节12，其中，一个该第一球关节12设于该动平台1底面的中心位置，其他三个该第一球关节12围绕该中心的第一球关节12平均分布在该动平台1的底面上。

该调节机构3包括两个驱动装置31、两根第一连接杆32、两根第二连接杆33、三根支撑杆34及中心约束杆35。两个该驱动装置31固设于该固定平台2上，每一根该第一连接杆32的一端与该驱动装置31连接，另一端与一根该第二连接杆33连接，两根该第二连接杆33的另一端互相连接。

该中心约束杆35下端固设于该固定平台2上，上端与该动平台1底面中心位置的该第一球关节11对应连接，该驱动装置31与该第一连接杆32的连接处、该第一连接杆32与该第二连接杆33的连接处以及两该第二连接杆33的连接处均采用销钉连接方式连接，且在销钉连接的上方设有第二球关节36，该支撑杆34下端对应连接该第二球关节36，上端对应连接该第一球关节12。

可以理解的是，该驱动装置可以是驱动电机，也可以是其他能够带动机械结构运动的动力装置。

可以理解的是，该驱动装置31可以焊接在该固定平台2上，也可以通过螺纹连接方式固设于该固定平台2上，也可以通过其他能够将该驱动装置31固定在该固定平台2上的方式连接。

可以理解的是，该中心约束杆35下端可以焊接在该固定平台2上，也可以通过螺纹连接方式固定在该固定平台2上。

可以理解的是，该驱动装置31与该第一连接杆32的连接处、该第一连接杆32与该第二连接杆33的连接处以及两该第二连接杆33的连接处还可以螺纹连接方式，也可以采用其他能够满足各部件之间水平移动的连接方式。

可以理解的是，该动平台1和该固定平台2各自独立地为圆形，椭圆形，矩形，圆角矩形，五边形或六边形中的一种。

在本实施例中，调节机构中的驱动装置与第一连接杆、第一连接杆与第二连接杆以及第二连接杆之间均通过销钉连接，即各部件之间可进行水平转动；同时，支撑杆的上下两端分别通过球关节与动平台及各水平移动的部件连接，且中心约束杆下端固定于固定平台，上端通过球关节连接于动平台，即动平台可通过各球关节进行空间转动。

当驱动装置工作时，驱动装置首先带动第一连接杆绕驱动装置的竖直方向轴线做水平转动，进而由第一连接杆带动第二连接杆绕连接处的竖直方向轴线做水平转动，由于各连接处的位置发生改变，且各支撑杆下端与各连接处上方的第二球关节连接，因此各连接处带动支撑杆的下端作水平运动。

又由于中心约束杆下端固定，中心约束杆的上端及支撑杆上端均与动平台通过第一球关节连接，因此，支撑杆的运动带动动平台绕支撑杆长度方向的轴线进行空间转动，同时与支撑杆下端的水平运动相协调，带动动平台实现多自由度的转动。

实施例二

本发明的第二实施例是一种踝关节康复训练系统，包括实施例一中的踝关节康复装置和控制系统，该控制系统包括：

压力传感器101，设置于康复装置的脚底踏板上，用于获取足底压力信号；

位置传感器102，设置于康复装置的驱动装置内，用于在线记录所述踝关节康复装置在各个运动时刻的位置信息；

信号采集模块201，用于采集该足底压力信号，并将该足底压力信号传输至计算机模块；

计算机模块301，用于接收并处理该足底压力信号，并向驱动模块发出控制指令；

驱动模块，用于根据该计算机模块301发出的控制指令做出相应驱动动作，该驱动模块包括多轴运动控制卡401、驱动器402和驱动装置403，该驱动器402根据该多轴运动控制卡401的控制指令驱动该驱动装置403运动。

本实施例中，在踝关节康复装置的脚底踏板中还设有功能电刺激电极，具体是功能性电刺激电极阵列，通过电流刺激足底神经支配的肌肉，提高患者足底神经的反应功能，以提高患者的踝关节康复效率。

可以理解的是，本实施例中的康复训练系统也可包括其他类型的踝关节康复装置，具体可以包括使用多驱动装置实现多自由度转动的踝关节康复装置。

本实施例中，该计算机模块包括人际交互单元，该人机交互单元用于设定被动控制模式、主动控制模式和阻抗控制模式。

该被动控制模式用于根据计算机模块设定的固定的康复训练模式向该驱动模块发出控制指令，由该驱动模块带动康复装置对使用者的踝关节进行训练；

该主动控制模块用于根据检测到的该足底压力信号和人体实时位置信号向该驱动模块发出控制指令，由该驱动模块驱动该康复训练装置对使用者的踝关节进行训练；

该阻抗控制模式用于根据检测到的该足底压力信号和人体实时位置信号向该驱动模块发出控制指令，由该驱动模块驱动该康复训练装置在使用者的踝关节的运动方向上施加相反的恒定阻力。

使用者根据自身特点，选择合适的控制模式进行康复训练，即可达到良好的康复效果。

在康复训练初期，采用被动控制模式。结合人体踝关节正常运动时的曲线，利用计算机模块将这些曲线信号传送给多轴运动控制卡，由多轴运动控制卡发出命令，控制驱动装置带动各连接杆进行水平转动，进而驱动动平台带动使用者的患肢做内翻/外翻、背屈/跖屈、内收/外展三种形式的康复训练运动。此阶段，调节功能电刺激电极阵列对患者脚底神经的刺激程度(较中期频率高一些)，提高患者踝关节的康复效率。

在康复训练中期，采用主动控制模式。计算机模块将位置传感器和压力传感器的信号传送至多轴运动控制卡，由多轴运动控制卡根据这些信号，协调控制驱动装置，使得动平台根据使用者自身意愿来进行内翻/外翻、背屈/跖屈、内收/外展三种形式康复训练。此阶段，调节功能电刺激电极对脚底神经的刺激程度(较初期低一些)，以提高踝关节患者的康复效率。

在康复训练的后期，为了强化康复效果，采用阻抗控制模式。此时计算机模块通过分析处理位置传感器和压力传感器的信号，判断使用者的运动意图，控制算法经过运算后，通过多轴运动控制卡，向驱动装置施加与使用者踝关节的运动方向相反的恒定阻力，阻力大小可调节，达到强化训练，锻炼踝关节相关的肌肉，从而使踝关节康复。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以在不脱离本发明原理的前提下，对发明的技术方案做若干改动、修改和/或变型，例如动平台和固定平台的形状可以是不规则多边形，各部件连接处的连接方式不限于焊接、螺纹连接、销钉连接或球关节连接，只要所采用的连接方式可以满足各部件的水平旋转或空间旋转，所有的这些等同形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种踝关节康复装置，包括动平台、固定平台和调节机构，所述调节机构上端连接所述动平台，所述调节机构下端连接所述固定平台，其特征在于，所述动平台顶面设有脚底踏板，所述动平台底面设有若干第一球关节；

所述调节机构包括两个驱动装置，两根第一连接杆、两根第二连接杆、三根支撑杆及一根中心约束杆；

所述两驱动装置固设于所述固定平台上，每一所述第一连接杆的一端与一所述驱动装置连接，另一端与一所述第二连接杆的一端连接，两相邻所述第二连接杆的另一端彼此互相连接；

所述中心约束杆下端固设于所述固定平台上，所述中心约束杆上端与所述第一球关节对应连接，每一所述第一连接杆与所述第二连接杆的连接处上端以及两相邻第二连接杆之间的连接处上端设有第二球关节，每一所述支撑杆下端与所述第二球关节对应连接，每一所述支撑杆上端与所述第一球关节对应连接。

2.根据权利要求1所述的踝关节康复装置，其特征在于，所述脚底踏板上安装有压力传感器和功能电刺激电极。

3.根据权利要求1所述的踝关节康复装置，其特征在于，所述驱动装置与所述第一连接杆的连接处、所述第一连接杆与所述第二连接杆的连接处以及两相邻所述第二连接杆之间的连接处均采用销钉连接方式。

4.根据权利要求1所述的踝关节康复装置，其特征在于，所述动平台底面的中心设有一第一球关节，在所述动平台底面的中心至外周之间的区域内围绕所述动平台底面的中心平均分布若干第一球关节，围绕所述动平台底面的中心平均分布的所述第一球关节的数量与所述支撑杆的数量相同。

5.根据权利要求1所述的踝关节康复装置，其特征在于，所述驱动装置焊接在所述固定平台上或螺纹连接在所述固定平台上。

6.根据权利要求1所述的踝关节康复装置，其特征在于，所述动平台和所述固定平台各自独立地为圆形，椭圆形，矩形，五边形或六边形中的一种。