CN108703865A - 绳索驱动踝关节康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种绳索驱动踝关节康复机器人，包括定平台和动平台。其中定平台起框架支撑作用，4个绳索驱动电动机和旋转驱动电动机固定于其上，可绕垂直轴旋转的绳索过轮保证了绳索方向的随意性；动平台是受刚性约束的绳索牵引平台，具有4个自由度，自由度输出类型为3R1T，其中绳索驱动实现绕矢状轴、冠状轴转动，旋转驱动实现绕垂直轴转动，三个回转副共点，等效出了一个球面副，同时通过滑块导轨实现了移动副的功能。在动平台上脚踏板处引入一个了位置调节装置，用于调整训练者脚掌高度，使机器人等效球面副回转中心与训练者踝关节转动中心相重合，保证运动一致性，避免由于两者不匹配导致的二次伤害。
Description
技术领域
本发明涉及以踝关节运动为运动模型的踝关节康复机器人技术，尤其涉及一种绳索驱动踝关节康复机器人，属于机器人制造、医疗机械技术领域。
背景技术
踝关节是由小腿的胫骨和腓骨的远端与足部的距骨组成。胫骨远端内侧的突出部分形成内踝，腓骨外侧的突出部分形成外踝。此外，胫骨远端后缘也有一突出部分，叫做后踝。踝关节具有背伸与跖屈、内翻与外翻运动。
持续被动运动训练，是近年来国内外专家、学者提出的一种关节外科新方法，用于患者下肢损伤后关节的康复。采取运动的方式进行康复，不仅有利于增加新陈代谢和关节软骨的营养，刺激多能间质细胞分化成关节软骨，加速关节软骨的愈合，而且还可以防止关节囊的挛缩、黏连、僵硬等后遗症，同时不影响伤口愈合，使患者的治疗和功能康复同步进行。因此研究一种结构简单、惯量小、响应速度快的绳索驱动踝关节康复机器人，在满足踝关节背伸与跖屈、内翻与外翻运动的同时，增加下肢内旋外旋和抬腿功能，对于踝关节患者的康复是有意义的。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种结构简单，重量轻，易于控制，惯量小、响应速度快的绳索驱动踝关节康复机器人。
本发明的目的是这样实现的：包括底座、对称设置在底座上的两个滑轮平台、设置在底座上的支撑平台、两两对称设置在底座上的四个卷盘电机、安装在每个卷盘电机输出轴上的卷盘、设置在每个滑轮平台上的两个过线滑轮、设置在支撑平台上的力矩电机、安装在力矩电机输出端上的回转套、与回转套固连的回转台、对称设置在回转台两端的两个支撑架、安装在每个支撑架上的滑块导轨、安装在每个滑块导轨中的滑块、与每个滑块固连的升降架、同时与两个升降架上端部铰接的U型架、铰接在U型架圆弧段上的连接架、与连接架下端部固连的摆动台、设置在摆动台上的脚掌支撑台，两个支撑架中的一个支撑架上安装有升降电机，升降电机的输出端连接有滚珠丝杠，滚珠丝杠上安装有丝杠螺母，丝杠螺母与对应的升降架固连；所述摆动台的四个角设置有连接耳，四个卷盘上分别缠绕有绳索，每根绳索的端部依次穿过滑轮平台并绕过对应的过线滑轮后与对着的连接耳固连。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述支撑平台位于两个滑轮平台之间。
2.所述脚掌支撑台与摆动台之间设置有位置调节器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够实现踝关节运动所需要的四个自由度，在患者进行持续被动运动训练时能够更好的模拟踝关节的运动帮助患者恢复健康。本发明可通过位置调节器调节脚掌支撑平台的高度，使三个回转副的轴线交于一点。从而使体格不同的患者的踝关节保持与机构的等效球面副中心相重合，可以有效减少了二次损伤，保证了一致性。本发明采用的康复机构具有结构简单、惯量小及响应速度快的特点。
附图说明
图1为绳索驱动踝关节康复机器人三维图；
图2为绳索驱动踝关节康复机器人运动原理图；
图3为绳索驱动踝关节康复机器人动平台示意图；
图4为绳索驱动踝关节康复机器人定平台示意图；
图中标号：1升降电机，2联轴器，3滚珠丝杠，4支撑架，5滑块，6U型架，7连接架，8升降架，9脚掌支撑台，10滑动副，11摆动台，12滑块导轨，13位置调节器，14回转台，15回转套，16角接触球轴承，17力矩电机，18行星齿轮减速器，19卷盘，20滑轮转台，21底座，22齿轮减速器，23过线滑轮，24滑轮平台，25卷盘电机，26传动轴，27支撑平台。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明的结构分为动平台和定平台两部分。其中，定平台的作用是支撑动平台，机器人的主要驱动原件和控制元件都固定在定平台上。动平台为踝关节运动的主要模拟设备，通过各个机构的配合运动模拟出踝关节的运动姿态，其中绳索经过过线滑轮23驱动摆动台11，通过连接架7实现α角度的转动，与连接架7相连的U型架6实现β角度的转动，力矩电机17驱动回转台14实现θ角度的转动，三个回转副共点，等效出了一个球面副，伺服电机1驱动滚珠丝杠3实现升降架8在垂直方向的移动，自由度输出类型为3R1T。也即所述的动平台可以通过模拟踝关节四个自由度的运动来实现踝关节患者的持续被动运动训练。
所述动平台包括位置调节器13，滑动副10，回转台14，支撑架4，滑块导轨12，升降架8，U型架6，连接架7，回转套15，滚珠丝杠3，升降伺服电机1，联轴器2，摆动台11以及脚掌支承台9。连接架7与摆动台11固定相连，摆动台11上需要做出几个工艺孔方便连接绳索。U型架6与连接架7之间以及U型架6与升降架8之间都是以转动副的形式相配合。回转台14中间固定了一个回转套15，回转套15中心孔是需要与一传动轴26相配合，使整体动平台实现θ角方向上的回转运动。回转台14两侧固定有两个支撑架4，其上通过螺钉紧固着两个滑块导轨12，滑块5则也是以螺钉紧固的方式连接与两个升降架8之上。这样，通过滑块5与滑块导轨12的配合，在伺服电机1的驱动下，实现了摆动台11在竖直方向上的升降运动。脚掌支撑台9与摆动台11之间装有位置调节装置，脚掌支撑台9可以通过调节位置调节装置来调节脚掌支撑台9与摆动台11之间的距离，使患者踝关节转动中心与机器人等效球面副回转中心相重合，保证运动一致性，保护患者避免二次伤害。
所述定平台包括尼龙绳索，卷盘19，角接触球轴承16，支撑平台27，底座21，力矩电机17，齿轮减速器22，传动轴26，过线滑轮23，滑轮转台20，滑轮平台24，卷盘电机25，行星齿轮减速器18。尼龙绳索一端缠绕在卷盘19上，一端与摆动台11相连，在绳索的牵引下，摆动台11实现α和β角度的转动。动平台通过安装在支撑平台27上的角接触球轴16承实现在θ角度上的运动，支撑平台27安装在底座21上，底座21和支撑平台27之间有一定的空间用来布置力矩电机17和齿轮减速器22带动整个动平台在θ角度上的转动。过线滑轮23安装在滑轮转台20上，每个滑轮转台20下端都要与一个轴承相配合，形成回转副，保证在绳索姿态不断变化的同时，回转台14可以随之转动。从而保证绳索不会脱离滑轮。滑轮平台24的正下方即为卷盘19，在驱动的过程中依靠卷盘19的正反旋转来实现每一根绳索的收放。通过键联接卷盘19从行星齿轮减速器18的输出轴上获取运动和动力，行星齿轮减速器18的动力由伺服电机25提供。过线滑轮23的滑轮转台20整体通过轴承连接在定平台上，其可绕垂直轴旋转，保证了绳索方向的随意性。
结合图2～4，本发明具体的机构及其工作方式为：
动平台由位置调节器13，滑动副10，滑块5，回转台14，支撑架4，滑块导轨12，升降架8，U型架6，连接架7，滚珠丝杠3，伺服电机1，联轴器2，摆动台11以及脚掌支撑台9组成。定平台由尼龙绳索，卷盘19，角接触球轴承16，支撑平台27，底座21，力矩电机17，齿轮减速器22，过线滑轮23，滑轮转台20，滑轮平台24，伺服电机25，行星齿轮减速器18组成。踝关节的运动由四个自由度表示，如图，分别为θ，α和β角度的转动以及竖直方向的直线运动。θ角度的转动由力矩电机17驱动，其实现方式为力矩电机17通过齿轮减速器22带动通过角接触球轴承16与齿轮减速器22相连的回转台14转动，从而实现θ角度的转动。α和β角度的转动由伺服电机25驱动，其实现方式为伺服电机25通过驱动绳索卷盘19的正反转动实现连接在摆动台11上的绳索的伸缩，通过四条绳索的配合可驱动摆动台11实现α和β角度的转动。竖直方向上的直线运动由伺服电机1驱动，其实现方式为伺服电机1通过联轴器2驱动滚珠丝杠3工作，丝杠螺母与升降架8固连，从而实现升降架8沿滑块5的上下移动，实现竖直方向上的运动。安装在摆动台11上的脚掌支撑台9可以通过调节位置调节装置来调节脚掌支撑台9与摆动台11之间的距离，从而使踝关节转动中心与机器人等效球面副回转中心重合。
在实际应用中，可以在定平台底座上安装四个具有固定装置的万向轮，实现机器人的移动与固定，将患者的脚掌放置在脚掌支撑台9上，调节位置调节装置使患者的踝关节转动中心与机器人等效球面副回转中心重合，机器人即可在预定程序下帮助患者完成康复训练。
综上，本发明是根据人体踝关节结构模型和典型运动形式，提出一种结构简单、惯量小及响应速度快的绳索驱动踝关节康复机器人，该机器人是一种串并联结构形式，包括定平台和动平台。其中定平台起框架支撑作用，4个绳索驱动电动机和旋转驱动电动机固定于其上，可绕垂直轴旋转的绳索过轮保证了绳索方向的随意性；动平台是受刚性约束的绳索牵引平台，具有4个自由度，自由度输出类型为3R1T，其中绳索驱动实现绕矢状轴、冠状轴转动，旋转驱动实现绕垂直轴转动，三个回转副共点，等效出了一个球面副，同时通过滑块导轨实现了移动副的功能。在动平台上脚踏板处引入一个了位置调节装置，用于调整训练者脚掌高度，使机器人等效球面副回转中心与训练者踝关节转动中心相重合，保证运动一致性，避免由于两者不匹配导致的二次伤害。
Claims (3)
1.绳索驱动踝关节康复机器人，其特征在于：包括底座、对称设置在底座上的两个滑轮平台、设置在底座上的支撑平台、两两对称设置在底座上的四个卷盘电机、安装在每个卷盘电机输出轴上的卷盘、设置在每个滑轮平台上的两个过线滑轮、设置在支撑平台上的力矩电机、安装在力矩电机输出端上的回转套、与回转套固连的回转台、对称设置在回转台两端的两个支撑架、安装在每个支撑架上的滑块导轨、安装在每个滑块导轨中的滑块、与每个滑块固连的升降架、同时与两个升降架上端部铰接的U型架、铰接在U型架圆弧段上的连接架、与连接架下端部固连的摆动台、设置在摆动台上的脚掌支撑台，两个支撑架中的一个支撑架上安装有升降电机，升降电机的输出端连接有滚珠丝杠，滚珠丝杠上安装有丝杠螺母，丝杠螺母与对应的升降架固连；所述摆动台的四个角设置有连接耳，四个卷盘上分别缠绕有绳索，每根绳索的端部依次穿过滑轮平台并绕过对应的过线滑轮后与对着的连接耳固连。
2.根据权利要求1所述的绳索驱动踝关节康复机器人，其特征在于：所述支撑平台位于两个滑轮平台之间。
3.根据权利要求1或2所述的绳索驱动踝关节康复机器人，其特征在于：所述脚掌支撑台与摆动台之间设置有位置调节器。
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