CN111166606B - 踝关节康复训练装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了踝关节康复训练装置，包括底座、腿部支撑架、脚掌支撑板和绳索驱动模块，腿部支撑架铰接在底座上，脚掌支撑板与腿部支撑架可拆卸连接，绳索驱动模块上连有可分别对脚掌支撑板上、下端及左右侧施加拉力的拉索，拉索穿过腿部支撑架与脚掌支撑板连接，脚掌支撑板上设有拉索转向调整机构。本发明还公开了该踝关节康复训练装置的工作方法。本发明可对受伤踝关节进行三个维度的运动锻炼，功能更为全面。此外本发明较多地采用了拉索作为传动件，可以减少刚性传动产生的冲击、振动，使得运动更为柔顺，防止受伤踝关节二次损伤。

Description

踝关节康复训练装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种康复运动器械，更具体地说，它涉及一种踝关节康复训练装置及相关工作方法。

背景技术

踝关节作为人体与地面接触的枢纽，在日常生活中发挥着重要的作用，包括足部压力的缓冲、承重以及步行等方面。如果踝关节发生损伤，除了会给人带来疼痛感，影响人的正常活动之外，情况严重的话，还会进一步影响下肢、盆骨、脊椎等其他部位力学功能的正常发挥。踝关节由小腿的胫骨以及腓骨末端关节面和距骨滑车组成，所以又常常被称为距骨小腿关节。正常人的踝关节可以实现跖屈/背屈俯仰、内翻/外翻脚掌面翻转、内旋/外旋脚尖转向三个自由度的旋转。对于踝关节损伤患者，往往不能完全实现这三个方向的旋转。受损伤的踝关节如果不能得到及时和彻底的治疗，容易造成重复扭伤和功能缺失，从而给现代人快节奏的生活造成极大的不便。踝关节损伤患者人数众多，对踝关节康复治疗的需求也越来越大。目前，踝关节的康复训练主要依赖理疗师，理疗师根据患者的恢复状态，调整力道带动踝关节运动直到恢复知觉，这种依赖理疗师的治疗方式存在以下不足：理疗师工作强度大；治疗过程主要依靠理疗师经验，难以量化；这种不精确的治疗方式限制了疗效的提高；由于治疗方式难以量化，因而不适合大面积推广应用。因此，研究和开发踝关节康复训练设备，替代理疗师对患者的踝关节进行康复训练非常有必要。目前国内外研发的各种踝关节康复训练设备不同程度地存在以下一些问题：

1.机构功能单一。一些踝关节康复训练机构的自由度数目不足，只能绕1个或2个轴转动，不能实现绕踝关节中心点的3自由度转动，影响恢复效果；

2.机构存在冗余自由度。一些机构既包括1个转动自由度，还包括1个移动自由度，机构动平台移动时，若小腿不能随动或随动不及时，由于患者脚踝固定，此时踝关节被强制带动，易造成踝关节二次损伤；

3.踝关节康复训练机构的转动中心与踝关节转动中心不重合。现有踝关节康复训练机器人的转动中心绝大多数在机构内部，踝关节转动中心不能与其相重合，在康复训练过程中，踝关节随机构转动的同时必然伴有移动，此时小腿就被迫随动，对小腿的协调性要求增加，如果小腿协调得不到位，轻则达不到指定运动角度影响康复进度，重则导致踝关节二次损伤；

4.多数机构采用刚性连杆作为传动介质，柔顺性差，惯性大，不易进行结构改变，康复训练过程中刚性连杆易产生有害冲击，导致患者不适；

5.现有踝关节康复训练设备结构复杂、重量大、价格昂贵，只有少数条件好的医院或康复中心能承受得起。

公开号为CN109172091A的发明专利于2019年1月11日公开了一种踝关节康复装置，包括：脚托，小腿板，转轴，控制器，电机，距离传感器，绳索和滑轮。该发明在现有技术的踝关节牵伸装置上，增加设置了控制器和距离传感器，该传感器可以检测足跟与地面的距离，当患者的脚跟与地面的距离达到峰值范围时，将数据传送给控制器，然后控制器根据实时的反馈数据对电机的运动进行相应的周期性的动态调节。该发明方案的优点在于，可以根据不同个体情况，以及同一个体在不同的运动姿态下的情况，有针对性地动态调整适合用户的牵伸机构的拉伸角度，通过距离传感器捕捉足跟的位置作为动作条件，而不是现有技术中简单的固定牵伸，能够更精准的捕捉踝背屈的时间点，进行干预，提高治疗效果。但该发明只能实现踝关节俯仰状态的调整，不具备三自由度转动调整能力，踝关节恢复效果有限。

发明内容

现有踝关节康复训练设备存在结构复杂、功能单一、柔顺性差、价格昂贵，为克服这些缺陷，本发明提供了一种结构较简单、功能更全面、运动较柔顺、价格较低的踝关节康复训练装置及其工作方法。

本发明的技术方案是：踝关节康复训练装置，包括底座、腿部支撑架、脚掌支撑板和绳索驱动模块，腿部支撑架铰接在底座上，脚掌支撑板与腿部支撑架可拆卸连接，绳索驱动模块上连有可分别对脚掌支撑板上、下端及左右侧施加拉力的拉索，拉索穿过腿部支撑架与脚掌支撑板连接，脚掌支撑板上设有拉索转向调整机构。使用本发明进行踝关节康复训练时，患者的脚固定在脚掌支撑板上，腿部搁在腿部支撑架上。通过绳索驱动模块带动拉索单侧牵拉脚掌支撑板的上端或下端，可完成踝关节的跖屈/背屈运动；通过拉索单侧牵拉脚掌支撑板的左侧或右侧，可完成踝关节的内翻/外翻运动；通过拉索在对角线位置的配对牵拉，则可完成踝关节的内旋/外旋运动。因此本发明可对受伤踝关节进行三个维度的运动锻炼，功能更为全面。此外本发明较多地采用了拉索作为传动件，可以减少刚性传动产生的冲击、振动，使得运动更为柔顺，防止受伤踝关节二次损伤。

作为优选，所述拉索转向调整机构包括转动基座，转动基座可转动地连接在脚掌支撑板上，转动基座上设有拉索端点固定部，转动基座与脚掌支撑板间设有锁止结构。转动基座可以转动，使拉索的走向可以改变，在需要踝关节完成跖屈/背屈、内翻/外翻运动时，拉索调整到与脚掌支撑板平面构成夹角的方向上，这样同侧配对的拉索拉动脚掌支撑板时，使脚掌支撑板围绕横向或纵向轴线发生翻转，从而带动患者脚部实现俯仰、内外翻运动。在需要踝关节完成内旋/外旋运动时，拉索调整到与脚掌支撑板平面大致共面的方向上，这样异侧配对的拉索拉动脚掌支撑板时，使脚掌支撑板围绕自身法线发生旋转，从而带动患者脚部实现内、外旋运动。

作为优选，腿部支撑架包括可容纳腿部的槽形架，槽形架端部固连有端面板，端面板与脚掌支撑板间设有可拆卸的原点定位杆。槽形架与患者腿部的形状能较好地匹配，使腿部平稳放置在腿部支撑架上。腿部支撑架与脚掌支撑板间通过原点定位杆实现可拆卸连接。

作为优选，绳索驱动模块至少为四个，每个绳索驱动模块均包括拉索电机和卷绳轴，同一绳索驱动模块内拉索电机与卷绳轴传动连接，且卷绳轴与拉索电机的输出轴平行，每根卷绳轴上分别卷绕一根拉索，脚掌支撑板至少在四角各设有一拉索端点固定部。不同的拉索电机驱动对应的卷绳轴收放拉索，对脚掌支撑板的不同部位施加拉力，各拉索电机可在同一时间进行同步或差动工作配合，通过各拉索电机和各拉索的配合，脚掌支撑板处于不同的受力状态，从而产生不同的姿态变化以实现踝关节的相应运动。

作为优选，拉索转向调整机构上设有变刚度装置，拉索连接在变刚度装置上。变刚度装置可扩大绳索的刚度变化范围，提高绳索的柔性，实现康复训练装置的变刚度特性，使得踝部在同一位姿下可以得到不同的刚度，因此可以满足不同踝关节损伤患者的需要，对患者进行有针对性的康复训练。

作为优选，变刚度装置包括支架、拉索固定杆和扭簧，支架固定在脚掌支撑板上，拉索固定杆转动连接在支架上，扭簧连接在支架和拉索固定杆之间，拉索固定杆上设有拉索固定器，拉索的端头固定在拉索固定器上。变刚度装置为拉索的端点固定装置，在拉索拉动脚掌支撑板的过程中，拉索固定杆会自行调整位姿，扭簧也不断改变张紧程度以改变张力输出，直至与拉索的张力达成平衡，从而起到调整拉索张力，调整装置刚度的作用。

作为优选，脚掌支撑板上设有绑带。绑带可将脚面固定柱，使脚掌与脚掌支撑板紧密固定，从而使脚部更好地随脚掌支撑板而动，通过脚掌支撑板的运动实现对踝关节的康复训练。

作为优选，底座上固设有立柱，腿部支撑架底部铰接在立柱上。腿部支撑架可以通过改变俯仰角度改变腿部抬起高度，使患者可以以较舒适的状态接受康复训练。

作为优选，绳索驱动模块固定在底座上。绳索驱动模块集成在底座上，可提高本踝关节康复训练装置的结构紧凑度。

踝关节康复训练装置的工作方法，该方法通过拉索单侧牵拉脚掌支撑板的上端或下端，完成踝关节的跖屈/背屈运动；通过拉索单侧牵拉脚掌支撑板的左侧或右侧，完成踝关节的内翻/外翻运动；通过拉索在对角线位置的配对牵拉，完成踝关节的内旋/外旋运动。采用此工作方法，本发明可对受伤踝关节进行三个维度的运动锻炼，功能更为全面。此外本发明较多地采用了拉索作为传动件，可以减少刚性传动产生的冲击、振动，使得运动更为柔顺，防止受伤踝关节二次损伤。

本发明的有益效果是：

功能更全面。本发明可对受伤踝关节进行三个维度的运动锻炼，功能更为全面，有利于踝关节得到更全面的康复训练，加速踝关节康复。

人机配合效果好。使用本发明时，脚掌支撑板的各向转动均直接以患者的踝关节为转动中心，装置的转动中心与人体踝关节转动中心高度重合，可大大消减机构运动冗余度及机构对人体的制约、牵连，人机配合效果更佳。

运动更柔顺。本发明较多地采用了拉索作为传动件，可以减少刚性传动产生的冲击、振动，使得运动更为柔顺，防止受伤踝关节二次损伤。

结构简单，成本低廉。本发明未过多采用复杂的机械传动机构，可大大简化结构，降低造价，更便于市场推广。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2为本发明中脚掌支撑板的背部结构示意图；

图3为本发明中变刚度装置的一种结构示意图；

图4为本发明中绳索驱动模块的一种结构示意图。

图中，1-底座，2-腿部支撑架，3-脚掌支撑板，4-绳索驱动模块，5-拉索，6-转动基座，7-拉索导向卡口，8-立柱，9-变刚度装置，10-支架，11-拉索固定杆，12-扭簧，13-拉索电机，14-卷绳轴，15-原点定位杆，16-压环，17-吊索，18-定位孔，19-定位销支架，20-弹簧定位销，21-拉索固定器，22-绑带。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至图4所示，踝关节康复训练装置，包括底座1、腿部支撑架2、脚掌支撑板3和绳索驱动模块4，腿部支撑架2铰接在底座1上，脚掌支撑板3与腿部支撑架2可拆卸连接。绳索驱动模块4固定在底座1上，绳索驱动模块4上连有可分别对脚掌支撑板3上、下端及左右侧施加拉力的拉索5，拉索5穿过腿部支撑架2与脚掌支撑板3连接，脚掌支撑板3上设有拉索转向调整机构。脚掌支撑板3顶部还连有一吊索17，吊索17卷绕在一扭力卷绳器上，扭力卷绳器固定在康复训练场地的天花板上，或另搭的配套支架上。吊索17对脚掌支撑板3的拉力用于抵消脚掌支撑板3的自重，避免康复训练期间脚掌支撑板3自重对踝关节造成额外负担。底座1内固定有安装板，绳索驱动模块4为四个，每个绳索驱动模块4均包括拉索电机13和卷绳轴14，拉索电机13固定在所述安装板上，卷绳轴14转动连接在所述安装板上，同一绳索驱动模块4内拉索电机13与卷绳轴14通过同步带传动机构连接，且卷绳轴14与拉索电机13的输出轴平行，每根卷绳轴14上分别卷绕一根拉索5，脚掌支撑板3为矩形，脚掌支撑板3顶端、底端及两侧边缘均设有拉索导向卡口7，用于对拉索5走向进行保持。脚掌支撑板3在四角各设有一拉索端点固定部。拉索电机13为伺服电机，带有编码器。拉索电机13与一单片机电连接，单片机又与一操作面板电连接。所述拉索转向调整机构包括转动基座6和压环16，脚掌支撑板3背面设有四个基座安装盲孔，转动基座6呈圆形且适配安装在基座安装盲孔内，使得转动基座6可转动地连接在脚掌支撑板3上，拉索端点固定部设于转动基座6上，压环16压在基座安装盲孔与转动基座6的结合部，并通过螺钉固定在脚掌支撑板3上，使得转动基座6不致从基座安装盲孔中脱位。转动基座6上设有变刚度装置9，拉索5连接在变刚度装置9上。变刚度装置9包括支架10、拉索固定杆11和扭簧12，支架10固定在转动基座6上，拉索固定杆11通过一转轴转动连接在支架10上，扭簧12连接在支架10和拉索固定杆11之间，扭簧12套接在转轴上且扭簧12一端卡接在支架10上，另一端卡接在拉索固定杆11上，拉索固定杆11上设有拉索固定器21，拉索5的端头固定在拉索固定器21上，拉索固定器12即为拉索端点固定部。转动基座6与脚掌支撑板3间设有锁止结构，所述锁止结构包括设于转动基座6上的两个定位孔18和一与脚掌支撑板3保持相对位置固定的定位销支架19，两个定位孔18相对于转动基座6的轴心构成90°圆心角，定位销支架19上设有可与定位孔18插接配合的弹簧定位销20，弹簧定位销20通过拉簧连接在定位销支架19上的销孔内，弹簧定位销20可在销孔内滑动，当弹簧定位销20插入一个定位孔18时，拉索固定杆11指向脚掌支撑板3的上端或下端；当弹簧定位销20插入另一个定位孔18时，拉索固定杆11指向脚掌支撑板3上拉索固定杆11所在侧的侧缘。腿部支撑架2包括可容纳腿部的槽形架，槽形架上设有半圆槽，槽形架端部固连有端面板，端面板与脚掌支撑板3间设有可拆卸的原点定位杆15，原点定位杆15为方柱体，端面板和脚掌支撑板3上均设有与原点定位杆15适配的方形插孔。脚掌支撑板3上设有两根绑带22，分别用于固定足弓前、后部。底座1上固设有立柱8，腿部支撑架2底部铰接在立柱8上。

使用本发明开始踝关节康复训练之前，原点定位杆15两端分别插入端面板和脚掌支撑板3上的方形插孔中，使脚掌支撑板3与腿部支撑架2处于相对位置的原点。然后患者将腿部放到腿部支撑架2的半圆槽内，脚掌则固定在脚掌支撑板3上，此时腿部和脚掌的相对位置也固定，然后调整各拉索5的长度，使它们张紧。抽出原点定位杆15，由患者的腿部和脚掌直接连接脚掌支撑板3与腿部支撑架2，患者与本踝关节康复训练装置连为一体，脚掌支撑板3的各向转动均直接以患者踝关节为轴心，使踝关节康复训练装置的转动中心与踝关节转动中心重合，从而形成最佳人机配合。此后即可实施本踝关节康复训练装置的工作方法，该方法通过拉索5单侧牵拉脚掌支撑板3的上端或下端，完成踝关节的跖屈/背屈运动；通过拉索5单侧牵拉脚掌支撑板3的左侧或右侧，完成踝关节的内翻/外翻运动；通过拉索5在对角线位置的配对牵拉，完成踝关节的内旋/外旋运动。即，当脚掌支撑板3的上端的两根拉索5在对应拉索电机13驱动下收卷拉紧，与此同时脚掌支撑板3的下端的两根拉索5则保持不动或略放松，这样固定在脚掌支撑板3上的患者脚面就立起，反之，脚掌支撑板3的上端的两根拉索5不动或略放松，脚掌支撑板3的下端的两根拉索5收卷拉紧时，脚面就放平，从而使踝关节得到俯仰锻炼；当脚掌支撑板3的左侧的两根拉索5在对应拉索电机13驱动下收卷拉紧，与此同时脚掌支撑板3右侧的两根拉索5则保持不动或略放松，这样如果是左脚治疗则脚掌外翻，右脚治疗则脚掌内翻，反之，脚掌支撑板3左侧的两根拉索5不动或略放松，脚掌支撑板3右侧的两根拉索5收卷拉紧时，左脚脚掌内翻，右脚脚掌外翻，从而使踝关节得到内、外翻转锻炼；当脚掌支撑板3左上、右下两根拉索5在对应拉索电机13驱动下收卷拉紧，与此同时脚掌支撑板3左下、右上两根拉索5则放松，这样如果是左脚治疗则脚尖外摆，右脚治疗则脚尖内扣，反之，脚掌支撑板3左上、右下两根拉索5放松，脚掌支撑板3左下、右上两根拉索5收卷拉紧时，左脚脚尖内扣，右脚脚尖外摆，从而使踝关节得到内、外旋锻炼。进行踝关节的跖屈/背屈和内翻/外翻训练前，须确保脚掌支撑板3顶端的左右两个保拉索固定杆11指向脚掌支撑板3的上端边缘，脚掌支撑板3底端的左右两个拉索固定杆11则指向脚掌支撑板3的下端边缘，且各转动基座6对应的弹簧定位销20插入相应的定位孔18中，各拉索5也分别卡入对应的脚掌支撑板3上、下端边缘的拉索导向卡口7内；进行踝关节的内旋/外旋训练时，逐个将各转动基座6对应的弹簧定位销20从定位孔18拔出，拨转各转动基座6旋转90°，待各转动基座6上另一个定位孔18对准弹簧定位销20时松开弹簧定位销20，弹簧定位销20在拉簧作用下插入该定位孔18，此时各变刚度装置9转过了90°，脚掌支撑板3左侧的变刚度装置9上的拉索固定杆11均指向脚掌支撑板3左侧边缘，脚掌支撑板3右侧的变刚度装置9上拉索固定杆11均指向脚掌支撑板3右侧边缘。此外各拉索5也分别转移到对应的脚掌支撑板3左、右侧边缘的拉索导向卡口7内。所述单片机内存十套踝关节康复训练程序，每套程序中拉索电机13的卷绳行程、运行速度各不相同，患者可根据踝关节损伤程度选择适合的程序，以达到理想的康复效果。

实施例2：

绳索驱动模块4为六个，控制六根拉索5，六根拉索5分别对应连接脚掌支撑板3的四角，及两侧的中部。其余同实施例1。

Claims (7)

1.踝关节康复训练装置，其特征是包括底座（1）、腿部支撑架（2）、脚掌支撑板（3）和绳索驱动模块（4），腿部支撑架（2）铰接在底座（1）上，脚掌支撑板（3）与腿部支撑架（2）可拆卸连接，绳索驱动模块（4）上连有可分别对脚掌支撑板（3）上、下端及左右侧施加拉力的拉索（5），拉索（5）穿过腿部支撑架（2）与脚掌支撑板（3）连接，脚掌支撑板（3）上设有拉索转向调整机构，所述拉索转向调整机构包括转动基座（6），转动基座（6）可转动地连接在脚掌支撑板（3）上，转动基座（6）上设有拉索端点固定部，转动基座（6）与脚掌支撑板（3）间设有锁止结构，所述锁止结构包括设于转动基座（6）上的两个定位孔和一与脚掌支撑板（3）保持相对位置固定的定位销支架，两个定位孔相对于转动基座（6）的轴心构成90°圆心角，定位销支架上设有可与定位孔插接配合的弹簧定位销。

2.根据权利要求1所述的踝关节康复训练装置，其特征是腿部支撑架（2）包括可容纳腿部的槽形架，槽形架端部固连有端面板，端面板与脚掌支撑板（3）间设有可拆卸的原点定位杆（15）。

3.根据权利要求1所述的踝关节康复训练装置，其特征是绳索驱动模块（4）至少为四个，每个绳索驱动模块（4）均包括拉索电机（13）和卷绳轴（14），同一绳索驱动模块（4）内拉索电机（13）与卷绳轴（14）传动连接，且卷绳轴（14）与拉索电机（13）的输出轴平行，每根卷绳轴（14）上分别卷绕一根拉索（5），脚掌支撑板（3）至少在四角各设有一拉索端点固定部。

4.根据权利要求1所述的踝关节康复训练装置，其特征是所述拉索转向调整机构上设有变刚度装置（9），拉索（5）连接在变刚度装置（9）上，变刚度装置（9）包括支架（10）、拉索固定杆（11）和扭簧（12），支架（10）固定在所述拉索转向调整机构上，拉索固定杆（11）转动连接在支架（10）上，扭簧（12）连接在支架（10）和拉索固定杆（11）之间拉索固定杆（11）上设有拉索固定器，拉索（5）的端头固定在拉索固定器上。

5.根据权利要求1所述的踝关节康复训练装置，其特征是脚掌支撑板（3）上设有绑带。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的踝关节康复训练装置，其特征是底座（1）上固设有立柱（8），腿部支撑架（2）底部铰接在立柱（8）上。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的踝关节康复训练装置，其特征是绳索驱动模块（4）固定在底座（1）上。

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