CN104306133A - 具有各向同性的踝关节康复并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有各向同性踝关节康复并联机构，包括基座、动平台和运动支链，所述的基座上分别固定有第一支柱、第二支柱，两个支柱上分别设置有第一电机、第二电机，所述基座上设置有第三电机，所述动平台上端面为脚踏面，所述动平台上端面垂直固定第一伸缩杆和呈L型的第三伸缩杆，所述动平台下端面垂直固定有第二伸缩杆，所述第一电机通过第一运动支链与动平台上的第一伸缩杆连接，通过控制动平台的左右摆动实现踝关节的内/外翻转运动，所述第二电机通过第二运动支链与动平台上的第二伸缩杆连接，通过控制动平台的前后摆动实现踝关节的趾/背屈运动。
Description
技术领域
本发明涉及康复医疗机构领域，尤其涉及一种辅助踝关节康复训练的具有各向同性的踝关节康复并联机构。
背景技术
踝关节是人体最大的负重关节之一，在日常的行走、跑跳和体育运动中极易发生损伤。若损伤得不到及时有效地治疗，不仅影响患者的日常生活，而且由于关节不稳，甚至会引发踝关节的二次损伤，严重的将会影响正常行走功能。踝关节的运动形式为内/外翻、趾/背曲、内/外旋。一般将踝关节视为球关节，具有三转动自由度。因此，为了全面的实现踝关节康复训练，康复装置必须具有球面运动能力。
专利号：200810052248（发明名称：一种踝关节康复机器人，申请日：2008.2.2，公布日：2008.10.29，公开号：CN 101292935 A）公布了一种三自由度踝关节康复装置，该装置由3-RSS/S构成，可以有效地实现踝关节康复并测量相应的力和位置参数，但是装置的转动中心与踝关节中心不重合，踝关节在跟随装置转动的同时会伴随有移动，此时，小腿会随动，若小腿协调不到位，则会影响康复进度甚至发生二次损伤。
专利号：201310421566.7（发明名称：一种踝关节康复装置，申请日：2013.09.16，公布日：2014.0101，公开号：CN 103479502 A）。公布了一种具有冗余驱动的三自由度3-RUS/RRR踝关节康复装置。该装置可以根据不同患者调整动平台，使得装置的转动中心与患者的踝关节中心重合。此外，该装置在工作空间内不存在奇异现象，且上下两个平台可重构。但是，冗余驱动将导致该装置三个分支需要四个电机驱动，浪费动力且控制复杂。
奥克兰大学的Tsoi基于生物融合理念提出了一种冗余驱动4-UPS/S康复训练装置，该装置具有三个转动自由度，且转动中心与踝关节中心重合，但是存在非期望力，不利于患者的康复。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提出了一种新型的具有各向同性的踝关节康复并联机构。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种具有各向同性踝关节康复并联机构，包括基座、动平台和运动支链，所述的基座上分别固定有第一支柱、第二支柱，两个支柱上分别设置有第一电机、第二电机，所述基座上设置有第三电机，所述动平台上端面为脚踏面，所述动平台上端面垂直固定第一伸缩杆和呈L型的第三伸缩杆，所述动平台下端面垂直固定有第二伸缩杆，所述第一电机通过第一运动支链与动平台上的第一伸缩杆连接，通过控制动平台的左右摆动实现踝关节的内/外翻转运动，所述第二电机通过第二运动支链与动平台上的第二伸缩杆连接，通过控制动平台的前后摆动实现踝关节的趾/背屈运动，所述第三电机通过第三运动支链与动平台上的第三伸缩杆连接，通过控制动平台的旋转实现踝关节的内/外旋转运动，所述三个电机同时运动通过控制动平台的在三维空间中的旋转实现踝关节的复合运动。
进一步的，所述第一电机的轴线、第二电机的轴线和第三电机的轴线两两垂直并相交于机构动平台的转动中心。
进一步的，所述第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链为并列的RRRPP支链。
进一步的，所述的第一运动支链是由第一转动副、第二转动副、第三转动副、第一移动副和第二移动副依次串联组成，所述的第一转动副与第二转动副通过L形构件a连接，第二转动副与第三转动副通过L形构件b连接，第三转动副与第一移动副通过构件c连接，第一移动副与第二移动副通过构件d连接，所述第二移动副与动平台第一伸缩杆套设连接，第一转动副与基座的第一电机连接；
所述的第二运动支链是由第四转动副、第五转动副、第六转动副、第三移动副和第四移动副依次串联组成；所述第四转动副与第五转动副通过L形构件e相连，第五转动副与第六转动副通过L形构件f相连，第六转动副与第三移动副通过构件g连接，第三移动副与第四移动副通过构件h连接，所述第四移动副与动平台第二伸缩杆套设连接，第四转动副与基座的第二电机连接；
所述的第三运动支链是由第七转动副、第八转动副、第九转动副、第五移动副和第六移动副依次串联而成；第七转动副与第八转动副通过L形构件i相连，第八转动副与第九转动副通过L形构件j相连，第九转动副与第五移动副通过构件k相连，第五移动副与第六移动副通过构件l相连，所述第六移动副与动平台第三伸缩杆套设连接，第七转动副与基座的第三电机连接。
进一步的，所述的第一条运动支链的三个转动副的轴线两两垂直且相交于动平台的转动中心，两个移动副的移动方向相互垂直相交；
所述的第二条运动支链的三个转动副的转动轴线两两互相垂直相交于动平台的转动中心，两个移动副的移动方向相互垂直相交；
所述的第三条运动支链的三个转动副的转动轴线两两互相垂直相交于动平台的转动中心，两个移动副的移动方向相互垂直相交。
进一步的，所述第一运动支链两个移动副形成第一平面，所述第二运动支链两个移动副形成第二平面，所述第三运动支链两个移动副形成第三平面，所述平面一、平面二、平面三相交于机构动平台的转动中心，所述第一转动副垂直于第一平面，所述第四转动副垂直于第二平面，所述第七转动副垂直于第三平面。
进一步的，所述第一转动副、第五转动副、第九转动副的转动轴线在同一直线上，所述第二转动副、第六转动副、第七转动副的转动轴线在同一直线上，所述第三转动副、第四转动副、第八转动副的转动轴线在同一直线上。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
（1）本机构在实现踝关节内/外翻、趾/背曲、内/外旋康复运动时，具有各向同性，不存在运动学奇异，运动和力传递性能优异，机构控制简单，动平台的一个运动输出只需要一个驱动控制，不仅大大减少了各个支链间的相互影响，有 效的解决了运动耦合的问题，而且节省动力。
（2）本机构为无过约束机构，机构中各运动支链中的移动副为惰性副，虽然不起运动作用，但却增加运动支链的连接度，从而降低过约束数。因此，对运动副轴线间的几何误差不敏感，其在较大误差范围内能够自行调整，从而减小误差对装配性和动力学性能的影响。
（3）本机构的动平台不但可以实现空间三维转动输出，且转动中心与人体踝关节中心重合。
（4）本机构转动能力强，工作空间大，转动平稳连续。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1 本发明的总体结构示意图；
图2 本发明的基座（静平台）示意图；
图3 本发明的动平台示意图；
图4 本发明的第一运动支链示意图；
图5 本发明的第二运动支链示意图；
图6 本发明的第三运动支链示意图；
图7 本发明的相关坐标表示图。
图中： 1-动平台; 2-基座; C1-第一支柱; C2-第二支柱; D1-第一电机; D2-第二电机; D3-第三电机; B1-第一伸缩杆; B2-第二伸缩杆; B3-第三伸缩杆; L1-构件a; L2-构件b; B4-构件c; A1-构件d; L3-构件e; L4-构件f; B5-构件g; A2-构件h; L5-构件j; L6-构件i; B6-构件j; A3-构件k; O-转动中心。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1～7所示，一种具有各向同性踝关节康复并联机构，包括基座2、动平台1和运动支链，所述的基座2上分别固定有第一支柱C1、第二支柱C2，两个支柱上分别设置有第一电机D1、第二电机D2，所述基座2上设置有第三电机D3，所述动平台1上端面为脚踏面，所述动平台1上端面垂直固定第一伸缩杆B1和呈L型的第三伸缩杆B3，所述动平台1下端面垂直固定有第二伸缩杆B2，所述第一电机D1通过第一运动支链与动平台1上的第一伸缩杆B1连接，通过控制动平台1的左右摆动实现踝关节的内/外翻转运动，所述第二电机D2通过第二运动支链与动平台1上的第二伸缩杆B2连接，通过控制动平台1的前后摆动实现踝关节的趾/背屈运动，所述第三电机D3通过第三运动支链与动平台1上的第三伸缩杆B3连接，通过控制动平台1的旋转实现踝关节的内/外旋转运动，所述三个电机D1、D2、D3同时运动通过控制动平台的在三维空间中的旋转实现踝关节的复合运动。
在本实施例中，所述第一电机D1的轴线、第二电机D2的轴线和第三电机D2的轴线两两垂直并相交于机构动平台的转动中心O。
在本实施例中，所述第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链为并列的RRRPP支链。
在本实施例中，所述的第一运动支链是由第一转动副R1、第二转动副R2、第三转动副R3、第一移动副P1和第二移动副P2依次串联组成，所述的第一转动副R1与第二转动副R2通过L形构件aL1连接，第二转动副R2与第三转动副R3通过L形构件bL2连接，第三转动副R3与第一移动副P1通过构件cB4连接，第一移动副P1与第二移动副P2通过构件dA1连接，所述第二移动副R1与动平台1第一伸缩杆B1套设连接，第一转动副R1与基座2的第一电机D1连接；
所述的第二运动支链是由第四转动副R4、第五转动副R5、第六转动副R6、第三移动副P3和第四移动副P4依次串联组成；所述第四转动副R4与第五转动副通R5过L形构件eL3相连，第五转动副R5与第六转动副R6通过L形构件fL4相连，第六转动副R6与第三移动副P3通过构件gB5连接，第三移动副P3与第四移动副P4通过构件hA2连接，所述第四移动副P4与动平台1第二伸缩杆B2套设连接，第四转动副R4与基座2的第二电机D2连接；
所述的第三运动支链是由第七转动副R7、第八转动副R8、第九转动副R9、第五移动副P5和第六移动副P6依次串联而成；第七转动副R7与第八转动副R8通过L形构件iL5相连，第八转动副R8与第九转动副R9通过L形构件jL6相连，第九转动副R9与第五移动副P5通过构件kB6相连，第五移动副P5与第六移动副P6通过构件lA3相连，所述第六移动副P6与动平台1第三伸缩杆B3套设连接，第七转动副R7与基座2的第三电机D3连接。
在本实施例中，所述的第一条运动支链的三个转动副的轴线两两垂直且相交于动平台的转动中心O，两个移动副的移动方向相互垂直相交；
所述的第二条运动支链的三个运动副的转动轴线两两互相垂直相交于动平台的转动中心O，两个移动副的移动方向相互垂直相交；
所述的第三条运动支链的三个运动副的转动轴线两两互相垂直相交于动平台的转动中心O，两个移动副的移动方向相互垂直相交。
在本实施例中，所述第一运动支链两个移动副形成第一平面，所述第二运动支链两个移动副形成第二平面，所述第三运动支链两个移动副形成第三平面，所述平面一、平面二、平面三相交于机构动平台的转动中心O，所述第一转动副R1垂直于第一平面，所述第四转动副R4垂直于第二平面，所述第七转动副R7垂直于第三平面。
在本实施例中，所述第一转动副R1、第五转动副R5、第九转动副R9的转动轴线在同一直线上，所述第二转动副R2、第六转动副R6、第七转动副R7的转动轴线在同一直线上，所述第三转动副R3、第四转动副R4、第八转动副R8的转动轴线在同一直线上。
具体实施过程：
患者将脚放在动平台1的正面上，调整第一电机D1、第二电机D2、第三电机D3的时间和频率，在三个电机的配合下， 构件aL1、构件eL3、构件iL5转动，带动相应的连接件运动，从而使得动平台实现绕如图7所示的X、Y、Z 轴转动，即模拟人体踝关节的内翻/外翻、趾曲/背曲、内旋/外旋。当单独启动第一电机D1时，动平台1实现绕X轴的转动从而模拟人体踝关节的内翻/外翻，第二电机D2和第三电机D3静止不动；当单独启动第二电机D2时，动平台1实现绕Y轴的转动从而模拟人体踝关节的趾曲/背曲，第一电机D1和第三电机D3静止不动；当单独启动第三电机D3时，动平台1实现绕Z轴的转动从而模拟人体踝关节的内旋/外旋，第一电机D1和第二电机D2静止不动。在模拟人体脚踝内翻/外翻、趾曲/背曲、内旋/外旋运动时，动平台的一个运动输出仅与一个电机的输入相关，有效地对踝关节进行康复训练。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (7)
1.一种具有各向同性踝关节康复并联机构，包括基座、动平台和运动支链，其特征在于：所述的基座上分别固定有第一支柱、第二支柱，两个支柱上分别设置有第一电机、第二电机，所述基座上设置有第三电机，所述动平台上端面为脚踏面，所述动平台上端面垂直固定第一伸缩杆和呈L型的第三伸缩杆，所述动平台下端面垂直固定有第二伸缩杆，所述第一电机通过第一运动支链与动平台上的第一伸缩杆连接，通过控制动平台的左右摆动实现踝关节的内/外翻转运动，所述第二电机通过第二运动支链与动平台上的第二伸缩杆连接，通过控制动平台的前后摆动实现踝关节的趾/背屈运动，所述第三电机通过第三运动支链与动平台上的第三伸缩杆连接，通过控制动平台的旋转实现踝关节的内/外旋转运动，所述三个电机同时运动通过控制动平台的在三维空间中的旋转实现踝关节的复合运动。
2.根据权利要求1所述的具有各向同性踝关节康复并联机构，其特征在于：所述第一电机的轴线、第二电机的轴线和第三电机的轴线两两垂直并相交于机构动平台的转动中心。
3.根据权利要求1所述的具有各向同性踝关节康复并联机构，其特征在于：所述第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链为并列的RRRPP支链。
4.根据权利要求1所述的具有各向同性踝关节康复并联机构，其特征在于：
所述的第一运动支链是由第一转动副、第二转动副、第三转动副、第一移动副和第二移动副依次串联组成，所述的第一转动副与第二转动副通过L形构件a连接，第二转动副与第三转动副通过L形构件b连接，第三转动副与第一移动副通过构件c连接，第一移动副与第二移动副通过构件d连接，所述第二移动副与动平台第一伸缩杆套设连接，第一转动副与基座的第一电机连接；
所述的第二运动支链是由第四转动副、第五转动副、第六转动副、第三移动副和第四移动副依次串联组成；所述第四转动副与第五转动副通过L形构件e相连，第五转动副与第六转动副通过L形构件f相连，第六转动副与第三移动副通过构件g连接，第三移动副与第四移动副通过构件h连接，所述第四移动副与动平台第二伸缩杆套设连接，第四转动副与基座的第二电机连接；
所述的第三运动支链是由第七转动副、第八转动副、第九转动副、第五移动副和第六移动副依次串联而成；第七转动副与第八转动副通过L形构件i相连，第八转动副与第九转动副通过L形构件j相连，第九转动副与第五移动副通过构件k相连，第五移动副与第六移动副通过构件l相连，所述第六移动副与动平台第三伸缩杆套设连接，第七转动副与基座的第三电机连接。
5.根据权利要求4所述的一种各向同性踝关节康复并联机构，其特征在于：
所述的第一条运动支链的三个转动副的轴线两两垂直且相交于动平台的转动中心，两个移动副的移动方向相互垂直相交；
所述的第二条运动支链的三个转动副的转动轴线两两互相垂直相交于动平台的转动中心，两个移动副的移动方向相互垂直相交；
所述的第三条运动支链的三个转动副的转动轴线两两互相垂直相交于动平台的转动中心，两个移动副的移动方向相互垂直相交。
6.根据权利要求4所述的一种各向同性踝关节康复并联机构，其特征在于：所述第一运动支链两个移动副形成第一平面，所述第二运动支链两个移动副形成第二平面，所述第三运动支链两个移动副形成第三平面，所述平面一、平面二、平面三相交于机构动平台的转动中心，所述第一转动副垂直于第一平面，所述第四转动副垂直于第二平面，所述第七转动副垂直于第三平面。
7.根据权利要求4所述的一种各向同性踝关节康复并联机构，其特征在于：所述第一转动副、第五转动副、第九转动副的转动轴线在同一直线上，所述第二转动副、第六转动副、第七转动副的转动轴线在同一直线上，所述第三转动副、第四转动副、第八转动副的转动轴线在同一直线上。
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