CN110575350B - 一种柔性踝关节康复机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性踝关节康复机器人系统，执行模块通过鲍登线经小腿模块与脚部模块连接，小腿模块与脚部模块之间设置有测量鲍登线传输力的拉力模块；小腿模块上设置有小腿部陀螺仪，脚部模块上设置有脚部陀螺仪和压力鞋垫，压力鞋垫上设置有脚跟压力传感器和脚掌压力传感器，小腿部陀螺仪与脚部陀螺仪分别布置于用户小腿的正面和脚面上；压力鞋垫位于脚部模块内部，通过上位机向执行模块发送控制指令并接收传感反馈信息；执行模块将力矩通过鲍登线经小腿模块传递至脚部模块进而辅助踝关节运动；小脚部陀螺仪与脚部陀螺仪相互配合用于检测踝关节运动信息。本发明质量轻，达到针对足下垂与足内翻异常步态用户的步态训练功能。

Description

一种柔性踝关节康复机器人系统

技术领域

本发明属于医用康复训练设备技术领域，具体涉及一种柔性踝关节康复机器人系统。

背景技术

随着中国老龄化社会到来，脑卒中患者越来越多。脑卒中发病急，病死率高，是世界上最重要的致死性疾病之一，卒中的死亡率也有随年龄增长而上升的趋势。由于一直缺乏有效的治疗措施，脑卒中患者，往往在中风之后，一侧的肢体就会偏瘫。患侧下肢抗重力肌力弱，负重能力减弱，因此更多地依赖健侧下肢负重，表现为患侧单肢支撑期缩短，以至于形成一种不对称的步态。

在人体正常行走过程中，主要是由踝关节、膝关节和髋关节提供能量，其中又以踝关节做功占主要部分，因此，在卒中患者的步态康复中踝关节的康复十分重要。

踝关节康复主要有物理治疗，踝足矫形器和踝关节康复机器人等，传统的物理治疗主要依靠治疗师的经验，难以满足高强度、重复性训练的要求。踝足矫形器是一种外用在踝关节上的矫形塑料装置，这种设备会限制行走过程中的正常推进以及步态适应性的减弱。为了自动地、动态地促进脚踝的运动，近年来，人们发明了动力脚踝外骨骼，可以让步态异常的中风患者能够正常行走。但是刚性康复机器人比较笨重，舒适性差，不可避免地给穿戴者的下肢增加了大量的重量，导致缓慢而低效的步态。

卒中患者的异常步态康复中踝关节康复十分重要。目前，大多数踝关节康复机器人主要执行背屈和跖屈辅助足下垂患者，缺少足内翻矫正机构。卒中患者不仅具有足下垂还具有足内翻特征，因此亟需开展具有背屈辅助功能和内翻矫正机构的踝关节康复机器人的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种柔性踝关节康复机器人系统，针对中风患者存在异常步态，患侧预承重期延长且存在足下垂与内翻异常步态，摆动期因足下垂造成足拖地现象，同时，刚性康复机器人大重量、缓慢低效的步态。因此，柔性的康复机器人质量轻，通过鲍登线的提拉实现患侧的辅助运动，经过重复步态行走训练最终实现用户的步态康复。

本发明采用以下技术方案：

一种柔性踝关节康复机器人系统，包括执行模块，执行模块通过鲍登线经小腿模块与脚部模块连接，小腿模块包裹在用户小腿上，小腿模块与脚部模块之间设置有拉力模块，拉力模块用于测量鲍登线的传输力；小腿模块上设置有小腿部陀螺仪，脚部模块上设置有脚部陀螺仪和压力鞋垫，压力鞋垫上设置有脚跟压力传感器和脚掌压力传感器，小腿部陀螺仪与脚部陀螺仪分别布置于用户小腿的正面和脚面上，用于检测踝关节转动角度；压力鞋垫位于脚部模块内部并为执行模块提供辅助信号，执行模块与上位机连接，通过上位机向执行模块发送控制指令并接收传感反馈信息；执行模块将力矩通过鲍登线经小腿模块传递至脚部模块进而辅助踝关节运动；小脚部陀螺仪与脚部陀螺仪相互配合用于检测踝关节运动信息。

具体的，执行模块包括底板，底板上设置有电机驱动机构、限位机构、预紧机构、电机驱动器、直流电源和单片机，鲍登线经电机驱动机构依次连接限位机构和预紧机构后与脚部模块连接，单片机通过电机驱动器控制电机驱动机构产生力矩并接收限位机构与电机驱动机构传感信息，单片机和电机驱动器分别连接直流电源。

进一步的，电机驱动机构和限位机构之间以及限位机构和预紧机构之间均设置鲍登线的外软壳。

进一步的，电动机驱动机构包括电机固定架，电机固定架上设置有直流无刷电机和减速器，直流无刷电机的末端设置有编码器，无刷电机经减速器与绕线轮连接，减速器和绕线轮之间设置有绕线轮壳，绕线轮位于绕线轮壳与绕线轮外壳内；绕线轮的侧面设置有绕线轮走线槽、背屈绕线槽和跖屈绕线槽，绕线轮走线槽用于鲍登线内钢丝芯缠绕在绕线轮；背屈绕线轮槽与跖屈绕线轮槽直径比为 1～3倍；绕线轮壳上设置有用于布置鲍登线外面软管的跖屈线槽和背屈线槽。

进一步的，限位机构包括双边支撑和单边支撑，双边支撑和单边支撑之间分别设置有锁线盒，锁线盒与双边支撑和单边支撑之间分别设置有弹簧，弹簧内设置有钢丝芯，双边支撑与单边支撑之间布置有导轨；导轨上设置有限位滑台，导轨的运动极限位置处设置有限位支撑模块，限位支撑模块上设置有限位开关；锁线盒安装于限位滑台上用于锁紧钢丝芯，锁线盒内设置的六边形锁线器安装于滑块上盖和滑块载体内；钢丝芯经锁线盒将力传递至预紧机构。

进一步的，预紧机构包括预紧外壳和预紧支架，预紧外壳和预紧支架之间设置有滑轮，滑轮的一端连接预紧调节位置。

具体的，小腿模块从上至下依次包括跖屈带、背屈带和小腿锚点；跖屈带包括上宽带、跖屈鲍登线槽和下宽带；背屈带包括位置固定带、近膝带、背屈鲍登线槽、中间带、近踝带和竖直带；位置固定带绕过上宽带通过魔术贴固定；近膝带、中间带和近踝带通过针线缝制于竖直带上且两端魔术贴用于将背屈带包裹用户小腿；下宽带通过针线缝制于上宽带上；背屈鲍登线槽和跖屈鲍登线槽分别固定于竖直带和上宽带上用于鲍登线导向；小腿锚点固定于竖直带和下宽带下方。

具体的，拉力模块包括钢丝芯。钢丝芯穿过吊环通过锁扣构成钢丝绳环；拉力传感器通过吊环分别与登山锁扣和钢丝芯相连。

具体的，脚部模块承受外侧力、背屈力和合力，外侧力作用位置为第五跖骨远踝处的结点；背屈力作用位置为第三跖骨远踝处，外侧力和背屈力采用力合成原理合成合力；脚部模块包括跖屈锚点和背屈机构；背屈机构包括小电机、小绕线轮、上固定块、背屈滑块、背屈轨道、绳索收放盒和下固定块；小电机通过小绕线轮与设置在背屈轨道上的背屈滑块连接，上固定块和下固定块将背屈导轨固定于用户鞋子上，绳索收放盒固定于下固定块上；绳索收放盒包括收放装置壳、小滑轮、扭簧和收放装置外壳；扭簧位于小滑轮内；小滑轮位于收放装置壳和收放装置外壳内。

具体的，脚部模块承受外侧力、背屈力和合力，外侧力作用位置为第五跖骨远踝处的结点；背屈力作用位置为第三跖骨远踝处，外侧力和背屈力采用力合成原理合成合力；脚部模块采用鞋套，鞋套包括前固定带、位置可调背屈带、脚背固定带、后固定带、跖屈提拉扣、目字扣和外套；前固定带、脚背固定带和后固定带设置在外套上，通过魔术贴使鞋套贴紧用户鞋子表面；位置可调背屈带设置在前固定带上，位置可调背屈带上设置有多个固定式合力锚点；目字扣用于收紧位置可调背屈带；跖屈提拉扣用于提供跖屈的锚点。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种柔性踝关节康复机器人系统，整个系统采用柔性小腿模块和柔性脚部模块，质量轻且能提供高效行走辅助；康复机器人采用鲍登线方式进行传输力，便于力改变传输方向以及减小力传输过程的损耗；脚部模块的背屈模块采用力合成的原理，可对存在足内翻与足下垂的用户进行康复行走训练；限位机构避免机器人对用户造成损伤危险以及预紧机构实现钢丝芯的预紧，保证康复机器人运行流畅；增加了压力鞋垫、小腿部陀螺仪和脚部陀螺仪识别用户的运动意图，同时拉力模块和编码器实时采集信息，实现精确辅助。通过柔性康复机器人可以实现用户运动功能的康复训练。

进一步的，执行模块采用板外式的形式，底板上固定电机驱动机构、限位机构、预紧机构等，将质量大的装置机构至于外部，仅通过鲍登线就可以实现力矩的传输，使柔性踝关节康复机器人轻量化，避免用户在进行康复运动时阻碍其自由运动；其次，固定于底板的形式，集成化，方便执行模块整体的搬动，便于康复地点的更换。

进一步的，采用外软管，减小鲍登线内钢丝芯和其他机构之间的摩擦；其次，避免钢丝芯暴露在外面对用户造成伤害。

进一步的，直流无刷电机通过减速器主要实现减速增扭作用；直流无刷电机末端的编码器用于实施采集电机的运动学信息，同时，用于计算鲍登线的牵拉距离，实现对电机位置的实时监测，实现电机的闭环控制；绕线轮走线槽设计的目的在于方便鲍登线的装配；因为脚部模块的背屈与跖屈点与踝关节中心转轴之间距离成比例的关系，所以背屈绕线轮槽与跖屈绕线轮槽直径比(半径比)为1～3 的关系，目的在于尽量避免传输力矩的过程中鲍登线内部的钢丝芯存在松弛的现象，并能保证通过牵拉鲍登线的方式实现踝关节转动角速度的稳定；绕线轮壳上有设置用于布置外面软管的跖屈线槽和背屈线槽的目的在于减小从绕线轮绕出的鲍登线内的钢丝芯与绕线轮壳之间的摩擦。

进一步的，限位机构采用导轨加限位开关的方式，避免辅助过程中造成过拉伸问题，起到安全保障的作用；增加弹簧的目的在于保证牵拉鲍登线过程中的平稳与柔顺性，类似于串联弹性驱动器，以电机实现可控可调的柔性输出性能。

进一步的，预紧机构主要将鲍登线内的钢丝芯时刻保持预紧，避免鲍登线内钢丝芯在传递力矩的过程中出现松弛的问题；内置滑轮，改变力传输方向，同时减小鲍登线与限位机构之间的摩擦。

进一步的，小腿模块采跖屈带和背屈带的形式，便于用户穿戴小腿模块；背屈带采用中间带、近膝带和近踝带三个带子可以将用户的小腿由上之下包裹起来，用户的小腿中间带包裹的小腿的截面直径最大，近膝带、中间带和近踝带包裹方式构成中间凸起的包裹方式，该包裹方式预紧力大，不容易造成松弛；位置固定带的作用是将背屈带固定在跖屈带上面，相互配合与跖屈带构成一个整体；背屈鲍登线槽与跖屈鲍登线槽只要是走鲍登线，防止鲍登线乱跑；小腿锚点固定鲍登线末端，保证从执行模块与小腿模块之间的鲍登线外部软壳不会跑动，仅仅是通过内部的钢丝芯进行力矩的传输。

进一步的，拉力模块连接钢丝芯与脚部锚点之间，用于检测执行末端的拉力值，实时检测柔性踝关节康复机器人的辅助力。

进一步的，采用力合成的原理，将外侧力与背屈力作用点归到一个点，针对用户的足下垂与足内翻的异常步态进行辅助，同时简化了辅助过程中的动力源，仅采用一个直流无刷电机即可实现异常步态辅助；首先，跖屈锚点和背屈机构直接固定在用户的鞋子上，体积小质量轻，不会影响用户的正常行走，不会对用户使用该机器人造成心理上的不舒适感觉；背屈机构采用电机绕线的方式实时调整背屈滑块的位置进而实现合力锚点的位置自适应，针对不同用户存在的足内翻程度实现位置的自适应并为用户提供个性化的辅助；绳索收放盒(采用扭簧的原理) 主要是将背屈滑块的另外一边的线收紧，与电机和绕线轮配合避免在使用过程中背屈滑块位置造成移动。

进一步的，采用力合成的原理，将外侧力与背屈力作用点归到一个点，针对用户的足下垂与足内翻的异常步态进行辅助，同时简化了辅助过程中的动力源；采用鞋套的方式，便于用户的穿戴，同时鞋套在不损害用户的鞋子适应用户不同规格的鞋子；前固定带、脚背固定带和后固定带主要将鞋套固定于用户的鞋子上面；目字扣用于收紧位置可调背屈带；位置可调背屈带提供多个合力锚点，可以实现用户的个性化选择。

综上所述，本发明质量轻，采用鲍登线传力方式，系统内的力传感器、压力鞋垫、陀螺仪实时检测用户的信息并实现按需辅助，着正意义上达到针对足下垂与足内翻异常步态用户的步态训练功能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明系统流程图；

图2是本发明系统示意图；

图3是本发明执行模块示意图；

图4是本发明电机驱动机构示意图；

图5是本发明限位机构示意图；

图6是本发明预紧机构示意图；

图7是本发明小腿模块示意图；

图8是本发明拉力模块示意图；

图9是本发明脚部模块示意图；

图10是本发明压力鞋垫示意图。

其中：1.上位机；2.执行模块；3.鲍登线；4.小腿模块；5.拉力模块；6.脚部模块；7.小腿部陀螺仪；8.脚部陀螺仪；9.压力鞋垫；21.电机驱动机构；22.限位机构；23.预紧机构；24.电机驱动器；25.直流电源；26.单片机；27.底板；210. 编码器；211.直流无刷电机；212.减速器；213.绕线轮壳；214.绕线轮；215.绕线轮外壳；216.跖屈线槽；217.背屈线槽；218.绕线轮走线槽；219.背屈绕线槽；240. 跖屈绕线槽；28.电机固定架；220.双边支撑；221.弹簧；222.钢丝芯；223.锁线盒； 224.限位开关；225.限位支撑块；226.导轨；227.限位滑块；228.单边支撑；229 滑块上盖；241.六边形锁线器；242.滑块载体；231.预紧调节位置；232.预紧外壳； 233.鲍登线孔；234.预紧支架；235.螺栓；236.滑轮；237.螺母；41.跖屈带；42.背屈带；43.小腿锚点；44.位置固定带；45.近膝带；46.背屈鲍登线槽；47.中间带； 48.近踝带；49.竖直带；56.上宽带；57.跖屈鲍登线槽；58.下宽带；52.锁扣；53. 吊环；54.拉力传感器；55.登山锁扣；61.外侧力；62.合力；63.背屈力；64.跖屈锚点；65.背屈机构；66.脚部鞋套；650.小电机；651.小绕线轮；652.上固定块； 653.背屈滑块；654.背屈轨道；655.绳索收放盒；656.下固定块；657.收放装置壳； 658.小绕线轮；659.扭簧；660.收放装置外壳；661.前固定带；662.位置可调背屈带；663.脚背固定带；664.后固定带；665.跖屈提拉扣；666.目字扣；667.外套； 91.脚跟压力传感器；92.鞋垫；93.脚掌压力传感器。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供了一种柔性踝关节康复机器人系统，首先，用户通过上位机调整辅助训练参数并选择辅助模式，然后，上位机将控制指令传递给单片机，进一步，单片机将控制指令传递给驱动模块，驱动模块通过电机牵引鲍登线实现力矩传输，其中，驱动模块中的限位机构防止老年人损伤以及预紧机构防止鲍登线产生松弛的现象；小腿模块提供锚点，同时脚部模块提供跖屈锚点与合力锚点；鲍登线内部的钢丝芯将力作用于脚部模块的跖屈锚点和合力锚点实现踝关节运动，进而实现用户的步行训练；

其次，采用多个传感器检测用户的运动意图以及康复机器人的辅助状态；压力鞋垫与陀螺仪实时检测用户的运动意图，力传感器与编码器实时检测电机提供力与运动学信息；检测信息发送给单片机并上传至上位机进行处理分析，进而调整驱动模块提供的力矩大小与电机驱动机构绕线速度快慢。

请参阅图2，本发明一种柔性踝关节康复机器人系统，包括上位机1、执行模块2、鲍登线3、小腿模块4、拉力模块5、脚部模块6、小腿部陀螺仪7、脚部陀螺仪8和压力鞋垫9。

上位机1与执行模块2连接，执行模块2通过鲍登线3经小腿模块4与脚部模块6连接，小腿模块4包裹在用户小腿上，小腿模块4与脚部模块6之间设置有拉力模块5，拉力模块5用于测量鲍登线3的传输力；小腿模块4上设置有小腿部陀螺仪7，脚部模块6上设置有脚部陀螺仪8和压力鞋垫9，上位机1向执行模块2发送控制指令并接收柔性踝关节康复机器人的传感反馈信息；执行模块 2将力矩通过鲍登线3经小腿模块4传递至脚部模块6进而辅助踝关节运动；小脚部陀螺仪7与脚部陀螺仪8相互配合使用并用于检测踝关节运动信息；用户穿戴该柔性踝关节康复机器人可在跑步机上或其它场所完成康复训练。

小腿部陀螺仪7与脚部陀螺仪8分别布置于用户小腿正面和脚面上并用于检测踝关节转动角度；压力鞋垫9位于脚部模块6内部并为执行模块2提供辅助信号，压力鞋垫9类似开关。

请参阅图3，执行模块2包括电机驱动机构21、限位机构22、预紧机构23、电机驱动器24、直流电源25、单片机26和底板27。

电机驱动机构21、限位机构22、预紧机构23、电机驱动器24、直流电源25 和单片机26均固定在底板27上，电机驱动机构21通过鲍登线3内的钢丝芯将力依次经限位机构22和预紧机构23传递至脚部模块6；电机驱动机构21和限位机构22之间以及限位机构22和预紧机构23之间都布置鲍登线3的外面软壳，目的在于减小内部钢丝芯与各个机构之间的摩擦；直流电源25给电机驱动器24 供电；单片机26通过电机驱动器24控制电机驱动机构21产生力矩并接收限位机构22与电机驱动机构21传感信息。

请参阅图4，电动机驱动机构21包括编码器210、直流无刷电机211、减速器212、绕线轮壳213、绕线轮214和绕线轮外壳215。

电机固定架28将直流无刷电机211与减速器212固定于底板27上；编码器 210位于直流无刷电机211的末端用于检测运动学信息，电机运动学信息与拉力模块检测的力信息反馈给上位机，实现电机的理想轨迹追踪；无刷电机211经减速器212减速后的输出轴通过键与绕线轮214连接，通过绕线轮214实现鲍登线 3内钢丝芯牵拉；绕线轮214位于绕线轮壳213与绕线轮外壳215内，绕线轮214 侧面存在绕线轮走线槽218且有背屈绕线槽219和跖屈绕线槽240，绕线轮走线槽218便于鲍登线3内钢丝芯缠绕在绕线轮，方便装配；背屈与跖屈绕线的距离不同，因此背屈绕线轮槽219与跖屈绕线轮槽240直径比为1～3倍；绕线轮壳213上设置有用于布置鲍登线3外面软管的跖屈线槽216和背屈线槽217，目的在于减小鲍登线3的钢丝芯与绕线轮壳213之间摩擦而造成的力矩损失。

请参阅图5，限位机构22包括双边支撑220、弹簧221、钢丝芯222、锁线盒223、限位开关224、限位支撑块225、导轨226、限位滑块227和单边支撑228。

双边支撑220、限位支撑块225和单边支撑228固定于底板27上；双边支撑 220与单边支撑228间布置导轨226；导轨226上安装限位滑台227；锁线盒223 安装于限位滑台227上并用于锁紧钢丝芯222，锁线盒223中六边形锁线器241 装于滑块上盖229和滑块载体242内；钢丝芯222经锁线盒223将力传递至预紧机构23；弹簧221布置于双边支撑220和锁线盒223之间以及锁线盒223和单边支撑228之间；限位开关224位于限位支撑模块225上并分布两根导轨226运动极限位置。

锁线盒223随限位滑台227在导轨226上滑动，弹簧221压缩，保证辅助运动过程平稳，起到串联弹性驱动器的作用；限位开关224主要作用防止辅助运动出现过度辅助而造成用户踝关节二次伤害，当限位滑台227运动到极限位置，限位开关224感应到限位滑块227位置并将信号传递至单片机26，进而通过电机驱动器24控制直流无刷电机211停止转动。

请参阅图6，预紧机构23包括预紧调节位置231、预紧外壳232、鲍登线孔 233、预紧支架234、螺栓235、滑轮236和螺母237；

滑轮236通过螺栓235和螺母237固定于预紧外壳232和预紧支架234之间；预紧支架234固定于底板27上；预紧调节位置231通过调整滑轮236的位置实现多级预紧。

请参阅图7，小腿模块4包括跖屈带41、背屈带42和小腿锚点43；背屈带 42包括位置固定带44、近膝带45、背屈鲍登线槽46、中间带47、近踝带48和竖直带49；跖屈带41包括上宽带56、跖屈鲍登线槽57和下宽带58；

位置固定带44绕过上宽带56通过魔术贴固定；近膝带45、中间带47和近踝带48通过针线缝制于竖直带49上且两端魔术贴用于将背屈带包裹用户小腿；下宽带58通过针线缝制于上宽带56上；背屈鲍登线槽46和跖屈鲍登线槽57分别固定于竖直带49和上宽带56上用于鲍登线3导向；小腿锚点43固定于竖直带49和下宽带58下方。

请参阅图8，拉力模块5包括钢丝芯222、锁扣52、吊环53、拉力传感器54 和登山锁扣55。

钢丝芯222穿过吊环53并通过锁扣52构成钢丝绳环；拉力传感器54通过吊环53分别与登山锁扣55和钢丝芯222相连。

请参阅图9，脚部模块6设置有三种受力，分别为外侧力61、背屈力63和合力62，外侧力61作用位置为第五跖骨远踝处的结点；背屈力63作用位置为第三跖骨远踝处，外侧力61和背屈力63采用力合成原理合成合力62；脚部模块6 采用两种方案，具体如下：

1)脚部模块6包括跖屈锚点64和背屈机构65；

背屈机构65包括小电机650、小绕线轮651、上固定块652、背屈滑块653、背屈轨道654、绳索收放盒655和下固定块656。

小电机650通过小绕线轮651与设置在背屈轨道654上的背屈滑块653连接，上固定块652和下固定块656将背屈导轨654固定于用户鞋子上，绳索收放盒655 固定于下固定块656上。

绳索收放盒655包括收放装置壳657、小滑轮658、扭簧659和收放装置外壳660；

扭簧659位于小滑轮658内；小滑轮658位于收放装置壳657和收放装置外壳660内。

小电机650带动小绕线轮651通过绕线的方式带动背屈滑块653在背屈轨道 654上滑动进而自动调整合力点位置，绳索收放盒655通过内部扭簧659实现线收紧，避免背屈滑块653出现错位；脚部陀螺仪8检测用户脚冠状面的角度信息经单片机26传至上位机1，进而控制小电机650正反转绕线调整背屈滑块653 的位置，实现合力锚点的自动调整。

2)脚部模块6采用鞋套66，鞋套66包括前固定带661、位置可调背屈带662、脚背固定带663、后固定带664、跖屈提拉扣665、目字扣666和外套667。

前固定带661、脚背固定带663和后固定带664通过针线缝制于外套667上且通过魔术贴使鞋套66贴紧用户鞋子表面，便于用户穿戴鞋套66；位置可调背屈带662设置在前固定带661上，位置可调背屈带662上有多个固定式合力锚点，用户可根据自身情况选择合适的合力锚点；目字扣666用于收紧位置可调背屈带 662，保证位置可调背屈带622紧贴用户鞋子表面；所述跖屈提拉扣665提供跖屈的锚点。

请参阅图10，压力鞋垫9包括脚跟压力传感器91、鞋垫92和脚掌压力传感器93。

脚跟压力传感器91和脚掌压力传感器93固定于鞋垫92上；脚跟压力传感器91与脚掌压力传感器93用于检测用户脚与地面之间接触状态。

本发明采用板外式的结构，将执行模块至于外部，集成到底板上，采用柔性帆布小腿模块与鲍登线传输力矩，避免给用户增加重量负担；

采用直流无刷电机经减速器通过绕线轮的方式传输力矩的方式，简化了力矩传递过程，鲍登线外面软管减小摩擦，避免了力矩损失；

限位机构避免辅助过程中过牵拉问题，弹簧起到串联弹性驱动器的作用保证输出柔顺性，同时预紧机构实时保证鲍登线预紧；

脚部模块采用力合成原理将背屈力锚点与外侧力锚点结合成合力锚点，解决用户存在足下与内 翻的异常步态。

本发明适用于有步行障碍或需要步行助力的人群，包括下肢病人、老年人及特殊需求人员。其结构质量轻且不会阻碍用户的自然运动，可以在跑步机、室内等场所进行康复训练，本发明能满足不同使用者的需求。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种柔性踝关节康复机器人系统，其特征在于，包括执行模块（2），执行模块（2）通过鲍登线（3）经小腿模块（4）与脚部模块（6）连接，小腿模块（4）包裹在用户小腿上，小腿模块（4）与脚部模块（6）之间设置有拉力模块（5），拉力模块（5）用于测量鲍登线（3）的传输力；小腿模块（4）上设置有小腿部陀螺仪（7），脚部模块（6）上设置有脚部陀螺仪（8）和压力鞋垫（9），压力鞋垫（9）上设置有脚跟压力传感器（91）和脚掌压力传感器（93），小腿部陀螺仪（7）与脚部陀螺仪（8）分别布置于用户小腿的正面和脚面上，用于检测踝关节转动角度；压力鞋垫（9）位于脚部模块（6）内部并为执行模块（2）提供辅助信号，执行模块（2）与上位机（1）连接，通过上位机（1）向执行模块（2）发送控制指令并接收传感反馈信息；执行模块（2）将力矩通过鲍登线（3）经小腿模块（4）传递至脚部模块（6）进而辅助踝关节运动；小腿部陀螺仪（7）与脚部陀螺仪（8）相互配合用于检测踝关节运动信息；

执行模块（2）包括底板（27），底板（27）上设置有电机驱动机构（21）、限位机构（22）、预紧机构（23）、电机驱动器（24）、直流电源（25）和单片机（26），鲍登线（3）经电机驱动机构（21）依次连接限位机构（22）和预紧机构（23）后与脚部模块（6）连接，单片机（26）通过电机驱动器（24）控制电机驱动机构（21）产生力矩并接收限位机构（22）与电机驱动机构（21）传感信息，单片机（26）和电机驱动器（24）分别连接直流电源（25）；

小腿模块（4）从上至下依次包括跖屈带（41）、背屈带（42）和小腿锚点（43）；跖屈带（41）包括上宽带（56）、跖屈鲍登线槽（57）和下宽带（58）；背屈带（42）包括位置固定带（44）、近膝带（45）、背屈鲍登线槽（46）、中间带（47）、近踝带（48）和竖直带（49）；位置固定带（44）绕过上宽带（56）通过魔术贴固定；近膝带（45）、中间带（47）和近踝带（48）通过针线缝制于竖直带（49）上且两端魔术贴用于将背屈带包裹用户小腿；下宽带（58）通过针线缝制于上宽带（56）上；背屈鲍登线槽（46）和跖屈鲍登线槽（57）分别固定于竖直带（49）和上宽带（56）上用于鲍登线（3）导向；小腿锚点（43）固定于竖直带（49）和下宽带（58）下方；

拉力模块（5）包括钢丝芯（222），钢丝芯（222）穿过吊环（53）通过锁扣（52）构成钢丝绳环；拉力传感器（54）通过吊环（53）分别与登山锁扣（55）和钢丝芯（222）相连；

脚部模块（6）设置有三种受力，包括外侧力（61）、背屈力（63）和合力（62），外侧力（61）作用位置为第五跖骨远踝处的结点；背屈力（63）作用位置为第三跖骨远踝处，合力（62）作用在第五跖骨远踝和第三跖骨远踝之间；脚部模块（6）包括跖屈锚点（64）和背屈机构（65）；背屈机构（65）包括小电机（650）、小绕线轮（651）、上固定块（652）、背屈滑块（653）、背屈轨道（654）、绳索收放盒（655）和下固定块（656）；小电机（650）通过小绕线轮（651）与设置在背屈轨道（654）上的背屈滑块（653）连接，上固定块（652）和下固定块（656）将背屈轨道 （654）固定于用户鞋子上，绳索收放盒（655）固定于下固定块（656）上；绳索收放盒（655）包括收放装置壳（657）、小滑轮（658）、扭簧（659）和收放装置外壳（660）；扭簧（659）位于小滑轮（658）内；小滑轮（658）位于收放装置壳（657）和收放装置外壳（660）内；

脚部陀螺仪（8）检测用户脚冠状面的角度信息经单片机（26）传至上位机（1），进而控制小电机（650）正反转绕线调整背屈滑块（653）的位置，实现合力锚点的自动调整，背屈机构采用电机绕线的方式实时调整背屈滑块的位置进而实现合力锚点的位置自适应。

2.根据权利要求1所述的柔性踝关节康复机器人系统，其特征在于，电机驱动机构（21）和限位机构（22）之间以及限位机构（22）和预紧机构（23）之间均设置鲍登线（3）的外软壳。

3.根据权利要求1所述的柔性踝关节康复机器人系统，其特征在于，电机驱动机构（21）包括电机固定架（28），电机固定架（28）上设置有直流无刷电机（211）和减速器（212），直流无刷电机（211）的末端设置有编码器（210），直流 无刷电机（211）经减速器（212）与绕线轮（214）连接，减速器（212）和绕线轮（214）之间设置有绕线轮壳（213），绕线轮（214）位于绕线轮壳（213）与绕线轮外壳（215）内；绕线轮（214）的侧面设置有绕线轮走线槽（218）、背屈绕线槽（219）和跖屈绕线槽（240），绕线轮走线槽（218）用于鲍登线（3）内钢丝芯缠绕在绕线轮；背屈绕线轮槽（219）与跖屈绕线轮槽（240）直径比为1~3；绕线轮壳（213）上设置有用于布置鲍登线（3）外面软管的跖屈线槽（216）和背屈线槽（217）。

4.根据权利要求1所述的柔性踝关节康复机器人系统，其特征在于，限位机构（22）包括双边支撑（220）和单边支撑（228），双边支撑（220）和单边支撑（228）之间分别设置有锁线盒（223），锁线盒（223）与双边支撑（220）和单边支撑（228）之间分别设置有弹簧（221），弹簧（221）内设置有钢丝芯（222），双边支撑（220）与单边支撑（228）之间布置有导轨（226）；导轨（226）上设置有限位滑台（227），导轨（226）的运动极限位置处设置有限位支撑模块（225），限位支撑模块（225）上设置有限位开关（224）；锁线盒（223）安装于限位滑台（227）上用于锁紧钢丝芯（222），锁线盒（223）内设置的六边形锁线器（241）安装于滑块上盖（229）和滑块载体（242）内；钢丝芯（222）经锁线盒（223）将力传递至预紧机构（23）。

5.根据权利要求1所述的柔性踝关节康复机器人系统，其特征在于，预紧机构（23）包括预紧外壳（232）和预紧支架（234），预紧外壳（232）和预紧支架（234）之间设置有滑轮（236），滑轮（236）的一端连接预紧调节位置（231）。

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