CN104983547A - 一种三自由度可穿戴式脚踝康复医疗机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度可穿戴式脚踝康复医疗机器人，包括上平台、下平台、缸。上平台由中心套筒和外侧刚性结构固连而组成，通过穿戴固定在患者腿部；下平台与鞋固定相连，通过穿戴固定患者的脚部；三个缸分别通过耳轴和球铰与上、下平台相连接；三个缸的伸缩由计算机系统通过人机操作界面进行控制。本发明可使脚踝向多个方向转动、可穿戴固定患者腿部和脚部、可根据患者的腿长调整下平台高度，有利于患者脚踝康复。

Description

一种三自由度可穿戴式脚踝康复医疗机器人

技术领域

本发明涉及一种穿戴式脚踝康复医疗机器人，属于康复医疗机器人领域。

背景技术

脚踝扭伤是一种十分常见的体育伤病，当脚踝或足部因为翻转、扭伤或受到过大外力时，踝关节周围的韧带也会受到过度拉伸或被撕裂。当扭伤严重时，在康复的过程需要进行脚踝灵活性训练，即让踝关节在一定范围内进行运动。目前，在中国脚踝康复训练主要靠医师用手对患者脚踝部位以一定的方向和速度反复转动，医疗的过程也主要由医师的经验来把握。然而，医师数量有限而患者较多时便不易使所有患者都得到及时的康复训练，此时如果借助医疗机械进行康复便有很大希望提高康复的效率和效果。随着医疗机械的不断发展，很多研究者利用机械学、力学、电磁学、机器人学等学科的研究成果，结合医学理论设计出新的康复训练方法。康复医疗机器人作为一种自动化康复医疗设备可以帮助患者进行科学而有效的康复训练来恢复其损伤部位的运动机能。目前医疗康复机器人在假肢、形体矫正、步态康复等均已有实物成果，针对脚踝康复的也有一些专利成果，而这些成果均有一定地局限性，如能够运动的自由度较少、结构过于复杂、模拟医师治疗过程能力不足、固定不够平稳、穿戴不够舒适等。

发明内容

本发明主要针对于脚踝扭伤患者，并基于三自由度并联机构，结合机器人学、人体运动学、人机工程学等理论进行机械设计，提出一种具有多自由度训练方向、多模态训练形式、穿戴式的脚踝康复医疗机器人。

为了达到上述目的，本发明提出方案如下：

本发明三自由度可穿戴式脚踝康复医疗机器人的机械结构包括上平台(定平台)、下平台(动平台)、缸(气动缸、液压缸或电动缸)。上平台由中心套筒和外侧刚性结构固连而组成，通过穿戴固定在患者腿部；下平台与鞋固定相连，通过穿戴固定患者的脚部；三个缸分别通过耳轴和球铰与上、下平台相连接；三个缸的伸缩由计算机系统通过人机操作界面进行控制。可以实现的效果有：可使脚踝向多个方向转动、可穿戴(固定患者腿部和脚部)、可根据患者的腿长调整下平台高度。本发明主要组成部分及各组成部分功能如下：

1)上平台(定平台)：将患者腿部通过穿戴与医疗机器人固定。

2)下平台(动平台)：与患者扭伤脚所穿的鞋固定相连，通过穿戴固定患者的扭伤脚。

3)缸(气动缸、液压缸或电动缸)：以三个耳轴与上平台连接，以三个球铰与下平台连接，通过活塞杆的伸缩控制下平台相对于上平台的运动。

4)计算机控制与采集系统：由计算机系统通过人机操作界面对三个缸的活塞杆的伸缩运动进行控制与采集，进一步对下平台的运动进行控制与采集。

附图说明

图1：本发明的构造示意图。

图2：本发明的实物模拟图。

图3、图4：本发明的使用模拟图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明具体方案：

上平台由中心套筒和外侧刚性结构固连而组成，套筒的材质柔软而有弹性，通过穿戴固定在患者腿部。上平台与每个缸的缸筒以2个耳轴连接，三个缸筒在上平台左侧、右侧、前侧各一个，围绕上平台中心间隔90°分布；上方耳轴连接于销钉孔内作为转动副，下方耳轴在圆弧槽口内限制转动角度，其中左右两侧限制约5°的转动，前侧限制约15°的转动。

下平台与三个缸每个缸的活塞杆一端以球铰连接下平台，下平台中三个球铰的位置以等腰三角形分布。下平台与鞋固定相连，通过穿戴固定患者的脚部。

对于三个缸，每个缸的两端分别通过一组耳轴和一个球铰与上、下平台相连。具体来说如附图中图1所示，缸1与耳轴组1和球铰1对应连接，缸2与耳轴组2和球铰2对应连接，缸3与耳轴组3和球铰3对应连接。

计算机控制与采集系统，可用于控制缸的伸缩，并且可记录缸的运动过程，将采集到的运动过程信息存档到数据库文件中，之后能够根据所述数据库文件控制缸的伸缩，从而复现缸的运动过程。

三个缸的伸缩由计算机系统通过人机操作界面进行控制，可以完成对缸的伸缩的主动加载控制(直接控制缸的运动来使患者脚踝转动)、被动加载信息采集(医师对患者脚踝进行转动时，计算机记录每个缸的运动过程)、对采集的信息进行主动复现控制(复现所记录的每个缸的运动过程以模拟医师的治疗过程)。

本发明工作原理如下：

使用本发明时，先将患者腿部从套筒中伸入固定在腿部，调节缸的活塞杆伸长量将患者穿戴的鞋固定在下平台上，位置调整合适之后，得到各活塞杆的初始位置。由医师根据脚踝康复医疗过程转动患者脚踝，医疗机器人的三个缸保持随动状态，并通过计算机采集并存储每个缸的运动过程。将整个过程采集完毕之后，根据采集到的信息对三个缸进行主动加载，复现下平台的转动过程，实现对医师康复医疗过程的模拟。通过调节缸的加载频率可以调节医疗过中转动速度的快慢。再次使用时，可以直接根据已存档的文件直接进行康复医疗。。

Claims (6)

1.一种三自由度可穿戴式脚踝康复医疗机器人，其特征在于：该机器人包括上平台、下平台、三套缸和计算机控制与采集系统，其中

上平台由中心套筒和外侧刚性结构固连而组成，套筒的材质柔软而有弹性，套在患者腿部并固定；

下平台与患者的鞋固定相连，从而固定患者的脚部；

每套缸的缸筒通过一组耳轴与上平台连接，每套缸的活塞杆都分别通过球铰与下平台连接，通过活塞杆的伸缩可控制下平台相对于上平台的运动。

计算机控制与采集系统，可用于控制所述三套缸的伸缩，并且可采集记录缸的运动过程，将采集到的运动过程信息存档到数据库文件中，之后能够根据所述数据库文件控制缸的伸缩，从而复现缸的运动过程。

2.根据权利要求1所述的脚踝康复医疗机器人，其中三个缸筒分布在上平台的左侧、右侧和前侧，围绕上平台中心间隔90°分布；所述上平台与每套缸的缸筒通过上下两个耳轴连接，上方耳轴连接于销钉孔内作为转动副，下方耳轴在圆弧槽口内限制缸的转动角度，左侧和右侧缸的所述转动角度为5°，前侧缸的所述转动角度为15°。

3.根据权利要求1-2任一项所述的脚踝康复医疗机器人，其中下平台中三个球铰的位置以等腰三角形分布。

4.根据权利要求1-3任一项所述的脚踝康复医疗机器人，其中所述缸是气动缸、液压缸或者电动缸。

5.根据权利要求1所述的脚踝康复医疗机器人，其特征在于：在医生根据脚踝康复医疗过程转动患者脚踝时，所述三套缸保持随动状态，所述计算机控制与采集系统采集并存储每套缸的运动过程。在所述脚踝康复医疗过程完成后，所述计算机控制与采集系统根据存储的运动过程控制三套缸的运动，复现下平台的转动过程。

6.根据权利要求5所述的脚踝康复医疗机器人，其中在复现下平台的转动过程时，所述计算机控制与采集系统可以调节转动速度的快慢。