CN111249108B - 一种多自由度的踝关节智能康复设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度的踝关节智能康复设备，包括：基座，包括左L型连接座和右L型连接座；小腿可穿戴组件，固定设置在安装座体上；脚板可穿戴组件，分布在小腿可穿戴组件的前下方；左随动组件，固定在脚板可穿戴组件的左端面上；右随动组件，固定在脚板可穿戴组件的右端面；左随动组件和右随动组件的顶部对应连接在左L型连接座和右L型连接座上；跖背屈驱动组件，与左随动组件传动连接，用于驱动左随动组件和右随动组件进行跖屈/背伸方向上的旋转运动，带动脚板可穿戴组件作跖屈/背伸运动。本发明能够实现踝关节跖屈/背伸运动的自动化，并且，能够更好地模拟踝关节运动，提高踝关节康复训练的有效性、灵活性和全面性。

Description

一种多自由度的踝关节智能康复设备

技术领域

本发明涉及一种踝关节康复训练机器人，特别涉及一种多自由度的踝关节智能康复设备，属于运动康复医疗器械。

背景技术

每年都有大量的人因为事故或疾病等原因导致身体残疾或瘫痪，失去正常的行动能力。临床医学经验表明，正确、科学的康复训练对肢体运动功能恢复和提高能够起到非常重要的作用。随着科技的不断发展，理疗的方式已经慢慢从人工理疗转向机械自动化理疗。所谓机械自动化理疗即指借助机械装置达到康复训练的效果。例如，市面上出现不少用于踝关节康复训练的机器人，都是属于机械自动化理疗范畴。

由人体解剖学可知，踝关节可视为绕定点转动的球面关节，能够实现背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种相对运动位置的调节，如图1所示。然而，传统的理疗机械装置，如踝关节康复训练机器人，主要结构形式为单自由度的转动铰链，训练过程中也没有针对脚部位置的调节，仅能实现踝关节的背伸/跖屈运动，难以满足踝关节全面康复运动训练的要求，无法满足患者的实际需求。或者多自由度的并联机构，但其固定的转动中心与踝关节并不重合，可能引起踝关节非预期的运动，难以有效实现踝关节的康复训练。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种多自由度的踝关节智能康复设备，能够实现踝关节跖屈/背伸运动的自动化，并且能够提高踝关节康复训练的有效性、灵活性和全面性的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种多自由度的踝关节智能康复设备，包括：

基座，包括安装座体，间隔设置在所述安装座体上的左L型连接座和右L型连接座；

小腿可穿戴组件，所述小腿可穿戴组件固定在所述安装座体的前部，用于固定患者的小腿；

脚板可穿戴组件，分布在所述小腿可穿戴组件的前下方，用于固定患者的脚部；

左随动组件，连接在所述脚板可穿戴组件的左端面上，所述左随动组件具有供所述脚板可穿戴组件作跖屈/背伸运动的转动自由度；

右随动组件，与所述左随动组件对称地连接在所述脚板可穿戴组件的右端面，所述右随动组件具有供所述脚板可穿戴组件作跖屈/背伸运动的转动自由度；

所述左随动组件和右随动组件的顶部分别对应连接在所述左L型连接座和所述右L型连接座上；

跖背屈驱动组件，与所述左随动组件传动连接，用于驱动所述左随动组件和右随动组件进行跖屈/背伸方向上的旋转运动，进而带动所述脚板可穿戴组件作跖屈/背伸运动。

优选地，还包括换向驱动组件，所述换向驱动组件包括第一换向驱动组件和第二换向驱动组件；所述第一换向驱动组件包括连接在所述左L型连接座与左随动组件之间的左换向组件，以及连接在所述右L型连接座和右随动组件之间的右换向组件，使得所述脚板可穿戴组件具有配合踝关节的内旋/外旋运动的自由度；

所述第二换向驱动组件设置在位于所述左L型连接座和右L型连接座之间的所述安装座体上，并与所述左L型连接座和右L型连接座连接，所述左L型连接座和所述右L型连接座均滑动设置在所述安装座体上，第二换向驱动组件在进行踝关节的内翻/外翻运动时驱动所述左L型连接座和右L型连接座在所述安装座体上下交错运动，使得脚板可穿戴组件具有配合踝关节的内翻/外翻运动的自由度。

优选地，所述左随动组件包括第二扭矩传感器、转接盘左、十字轴左和十字轴座左；

所述第二扭矩传感器固定设置在所述脚板可穿戴组件的左端面上，所述十字轴座左位于所述第二扭矩传感器的外侧并固定连接在所述左L型连接座上；所述转接盘左位于所述十字轴座左的内部，所述转接盘左的近端端面同轴固定连接在所述第二扭矩传感器上，所述转接盘左上对称开设有两第一弧形槽；所述十字轴左设置在所述转接盘左内，十字轴左的两连接轴通过两所述第一弧形槽伸出所述转接盘左的外部，并配合在所述十字轴座左上。

优选地，所述右随动组件包括转接盘右、第三扭矩传感器、阶梯轴、十字轴右、键轴、角度传感器和十字轴座右；所述第三扭矩传感器固定设置在所述脚板可穿戴组件的右端面上；所述十字轴座右位于所述第三扭矩传感器的外侧并固定连接在所述右L型连接座上；所述转接盘右位于所述十字轴座右的内部，所述转接盘右的近端端面同轴固定在所述第三扭矩传感器上，所述转接盘右上对称开设有第二弧形槽；所述阶梯轴同轴设置在所述转接盘右内；十字轴右的中心轴块间隙配合在所述阶梯轴的外圈上，十字轴右的两连接轴通过两所述第二弧形槽伸出所述转接盘右的外部，并配合安装在所述十字轴座右上；所述角度传感器安装在所述十字轴右的外端面上，所述键轴同轴安装在所述角度传感器上；所述阶梯轴的一端同轴配装在键轴上，所述阶梯轴的另一端穿过所述转接盘右和第三扭矩传感器连接在所述脚板可穿戴组件的右端面上。

优选地，左换向组件包括弧形导轨滑块、限位块和限位挡块；所述弧形导轨滑块上的弧形导轨固定在所述左L型连接座的底部，所述弧形导轨滑块上的滑块固定连接在所述左随动组件的顶部，在所述左L型连接座的外侧设置限位块，在所述左随动组件的顶部且位于所述限位块两侧间隔设置两限位挡块；

右换向组件包括齿轮座、齿轮、磁性旋转编码器、齿轮端盖、磁铁、弧形导轨滑块和弧形齿条；所述齿轮座固定安装在所述右随动组件的外侧；所述磁性旋转编码器同轴地安装在所述齿轮座的内部，所述小齿轮转动配合在所述齿轮座的伸出端，在所述齿轮外部设有齿轮端盖，用于定位齿轮外圈，所述齿轮端盖内部设有一磁铁；在所述右L型连接座的底部固定设置所述弧形齿条，所述弧形齿条与所述齿轮相互啮合；在所述右随动组件的顶部安装所述弧形导轨滑块，其中，所述弧形导轨滑块上的弧形导轨紧贴于所述弧形齿条并固定安装在所述右L型连接座的底部，弧形导轨滑块上的滑块固定连接在所述右随动组件的顶部；

所述第二换向驱动组件包括连接板、传动齿轮和齿条，所述传动齿轮转动设置在所述安装座体上，两所述齿条对称分布在所述传动齿轮的两侧，并与所述传动齿轮啮合，两所述齿条分别通过连接板固定安装在所述左L型连接座和右L型连接座上。

优选地，所述跖背屈驱动组件包括驱动电机，所述驱动电机与所述左随动组件直接传动连接，所述驱动电机的正反转带动所述左随动组件和右随动组件进行跖屈/背伸方向上的旋转运动，进而带动所述脚板可穿戴组件作跖屈/背伸运动。

优选地，所述跖背屈驱动组件包括驱动电机和传动组件，所述驱动电机通过传动组件与所述左随动组件连接，传动组件采用钢丝绳、链条或带传动组件。

优选地，所述传动组件为钢丝绳传动组件，所述钢丝绳传动组件包括谐波减速器、输入轴、驱动固定板、力矩转接盘、第一扭矩传感器、主动驱动线轮、主动驱动轮罩、连接板、绳套夹板、从动驱动线轮、从动驱动轮罩、球头压块和连接轴；

所述谐波减速器固定设置在所述驱动固定板的一侧；所述输入轴的一端与所述谐波减速器传动配合，所述输入轴的另一端与所述驱动电机的输出端传动连接；所述驱动固定板上开设与所述谐波减速器同轴的安装孔，所述力矩转接盘间隙配合在安装孔内，并同轴固定在所述谐波减速器的输出端；所述第一扭矩传感器间隙配合在安装孔内，并同轴固定在所述力矩转接盘上；所述主动驱动线轮同轴固定在所述第一扭矩传感器上；所述驱动轮罩套置在所述主动驱动线轮的外部，并固定连接在所述驱动固定的另一侧；在所述主动驱动线轮上平行间隔地设置两道第一钢丝绳走线槽；

连接轴的一端伸入所述十字轴左的中心轴块内，并与之紧配合；所述从动驱动线轮间隙配合在所述连接轴的外部，并与所述转接盘左的远端固定连接，所述从动驱动线轮上设置有第二钢丝绳走线槽；所述从动驱动轮罩套置在所述从动驱动线轮的外部；所述连接板同轴分布在所述从动驱动线轮的外端面的外部，并与所述从动驱动轮罩连接，所述连接轴的另一端紧配合在所述连接板上；所述绳套夹板可拆卸地安装在所述连接板上，所述连接板和绳套夹板之间形成有供钢丝绳穿过的第一线孔和第二线孔；

钢丝绳绕设在从动驱动线轮上的第二钢丝绳走线槽内，并通过球头压块固定在从动驱动线轮上的第二钢丝绳走线槽内，所述钢丝绳的一端穿过所述第一线孔并固定在主动驱动线轮上的一第一钢丝绳走线槽内，所述钢丝绳的另一端穿过第二线孔并固定在所述主动驱动线轮上的另一第一钢丝绳走线槽内。

优选地，在所述阶梯轴的外部套设有直线轴承，所述十字轴右的中心轴块套设在所述直线轴承的外部，所述直线轴承的内衬与所述阶梯轴紧配合，所述十字轴右的中心轴块和所述直线轴承的外套紧配合；所述连接轴采用滚珠花键，所述滚珠花键上的花键轴的一端伸入所述十字轴左的中心轴块内，并与之紧配合，所述滚珠花键上的花键轴的另一端伸出所述连接板的外部；所述从动驱动线轮转动设置所述滚珠花键上的花键套上，所述花键套的端部配合安装在所述连接板上；在所述连接板的外部固定连接花键盖，在所述花键盖上设置位移传感器。

优选地，脚板可穿戴组件包括脚底板，分别固定设置在所述脚底板的两侧的两脚侧立板，分布于所述脚底板的后部并固定在其上的脚后跟立板，以及分布在脚底板的前部的上方的卡扣条，所述卡扣条的两端固定在所述脚底板上；

所述安装座体包括呈竖直间隔布置的两立式支架，位置可调地安装在两立式支架上的固定架，罩置在所述固定架的前部的盖板，所述左L型连接座和右L型连接座均滑动设置在所述固定架上，所述左L型连接座和右L型连接座的一端均伸出所述盖板的外部，所述盖板上开设有供所述左L型连接座和右L型连接座运动的槽口；

所述小腿可穿戴组件包括小腿支撑垫，所述小腿支撑垫通过两侧滑扣固定安装在所述盖板的前部。

本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：1、本发明包括基座、小腿可穿戴组件、脚板可穿戴组件以及左右随动组件，左右随动组件具有供脚板可穿戴组件作跖屈/背伸运动的转动自由度，跖背屈驱动组件用于驱动左随动组件和右随动组件作跖屈/背伸方向上的旋转运动，带动脚板可穿戴组件主动进行跖屈/背伸运动，实现踝关节跖屈/背伸运动的自动化。

2、本发明还包括换向驱动组件，换向驱动组件的第一换向驱动组件能够提供脚板可穿戴组件进行内旋/外旋运动的转动自由度，换向驱动组件的第二换向驱动组件能够提供脚板可穿戴组件进行内翻/外翻运动的转动自由度，使得本发明的设备能够提供踝关节康复运动的三个方向的自由度，使得本发明的设备能够更好地模拟踝关节运动，提高踝关节康复训练的有效性、灵活性和全面性。

附图说明

图1是踝关节在三个方向运动的示意图；

图2是本发明的整体装配示意图；

图3是本发明的局部剖面示意图；

图4是本发明跖背屈驱动组件的局部剖面示意图；

图5是本发明跖背屈驱动组件的部分爆炸结构示意图；

图6是本发明左随动组件与部分钢丝绳传动组件的爆炸结构示意图；

图7是本发明右随动组件的爆炸结构示意图；

图8是本发明第一换向驱动组件(内外旋转运动)的结构示意图；

图9是本发明第一换向驱动组件((内外旋转运动))的剖视图；

图10是本发明第二换向驱动组件(内外翻转运动)的主剖视图；

图11是本发明基座的主视结构示意图；

图12是本发明基座的半剖结构示意图；

图13是本发明脚板可穿戴组件的爆炸示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

需要说明，本实施例中所有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图2所示，本发明提供的一种多自由度的踝关节智能康复设备，其包括跖背屈驱动组件100、左随动组件200、右随动组件300、脚板可穿戴组件500、小腿可穿戴组件600和基座700；

基座700，包括安装座体701，间隔设置在安装座体701上的左L型连接座702和右L型连接座703；

小腿可穿戴组件600，固定设置在安装座体701的前部，用于固定患者的小腿；

脚板可穿戴组件500，分布在小腿可穿戴组件600的前下方，用于固定患者的脚部；

左随动组件200，连接在脚板可穿戴组件500的左端面上，左随动组件200具有供脚板可穿戴组件500作跖屈/背伸运动的转动自由度；

右随动组件300，与左随动组件200对称地连接在脚板可穿戴组件500的右端面，右随动组件300具有供脚板可穿戴组件500作跖屈/背伸运动的转动自由度；

所述左随动组件200和右随动组件300的顶部分别对应连接在所述左L型连接座702和所述右L型连接座703上；

跖背屈驱动组件100，与左随动组件200传动连接，用于驱动左随动组件200和右随动组件300作跖屈/背伸方向上的旋转运动，进而带动脚板可穿戴组件500作跖屈/背伸运动。

在一个优选实施例中，本发明还包括换向驱动组件400，换向驱动组件400包括第一换向驱动组件和第二换向驱动组件；第一换向驱动组件包括连接在左L型连接座702与左随动组件200之间的左换向组件，以及连接在右L型连接座703和右随动组件300之间的右换向组件，使得脚板可穿戴组件500具有配合踝关节的内旋/外旋运动的自由度；

第二换向驱动组件设置在位于左L型连接座702和右L型连接座703之间的安装座体701上，并与左L型连接座702和右L型连接座703连接，左L型连接座702和右L型连接座703均滑动设置在安装座体701上，第二换向驱动组件在进行踝关节的内翻/外翻运动时驱动左L型连接座702和右L型连接座703在所述安装座体701上下交错运动，使得脚板可穿戴组件500具有配合踝关节的内翻/外翻运动的自由度。

在一个实施例中，图3、图6所示，左随动组件200包括扭矩传感器231、转接盘左232、十字轴左233和十字轴座左241；

其中，扭矩传感器231固定设置在脚板可穿戴组件500的左端面上，十字轴座左241位于扭矩传感器231的外侧并固定连接在左L型连接座702上；转接盘左232位于十字轴座左241的内部，转接盘左232的近端端面同轴固定连接在扭矩传感器231上，转接盘左232上对称开设有两弧形槽2321；十字轴左233设置在转接盘左232内，十字轴左233的两连接轴2331对应通过两弧形槽2321伸出转接盘左232的外部，并配合在十字轴座左241上。

在一个优选实施例中，十字轴座左241的两侧分别开设轴承安装孔位2411，在两轴承安装孔位2411内分别安装轴承243，在十字轴左241的连接轴2411上且位于轴承安装孔位2411的内侧设置轴肩，在十字轴座左241上且位于轴承安装孔位2411的外侧设置轴承盖242，轴肩和轴承盖242的配合实现轴承243的定位安装。

在一个优选实施例中，左随动组件200还包括定心轴230，定心轴230同轴设置在扭矩传感器231内，定心轴230的一端固定在脚板可穿戴组件500的左端面上，另一端固定在转接盘左232的近端上，进而保证转接盘左232和脚板可穿戴组件500之间的装配精度。

在一个实施例中，如图3、图7所示，右随动组件300包括角度传感器护罩343、转接盘右344、扭矩传感器345、阶梯轴346、十字轴右348、键轴349、角度传感器350和十字轴座右351；扭矩传感器345固定设置在脚板可穿戴组件500的右端面上；十字轴座右351位于扭矩传感器345的外侧并固定连接在右L型连接座703上；转接盘右344位于十字轴座右351的内部，转接盘右344的近端端面同轴固定在扭矩传感器345上，转接盘右344上对称开设有两弧形槽3441；阶梯轴346同轴设置在转接盘右344内；十字轴右348的中心轴块3482间隙配合在阶梯轴346的外圈上，十字轴右348的两连接轴3481对应通过两弧形槽3441伸出转接盘右344的外部，并配合安装在十字轴座右351上；角度传感器350安装在十字轴右348的外端面上，键轴349同轴安装在角度传感器350上；阶梯轴346的一端同轴配装在键轴349上，阶梯轴346的另一端穿过转接盘右344和扭矩传感器345连接在脚板可穿戴组件500的右端面上，从而保证十字轴座右351和脚板可穿戴组件500之间的装配精度；进行跖屈/背伸运动时，角度传感器350实时采集踝关节在跖屈/背伸运动时转动过的角度；为保护角度传感器350，在转接盘右344的远端同轴安装角度传感器护罩343。

在一个优选实施例中，在角度传感器护罩343上设有一穿线孔位(图中未示出)，角度传感器350的数据线从穿线孔位伸出。

在一个优选实施例中，如图7所示，十字轴座右351的两侧分别开设轴承安装孔位3511，在两轴承安装孔位3511内分别安装轴承353，在十字轴右348的连接轴3481上且位于轴承安装孔位3511的内侧设置轴肩，在十字轴座右351上且位于轴承安装孔位3511的外侧设置轴承盖352，轴肩和轴承盖352的配合实现轴承353的定位安装。

在一个实施例中，跖背屈驱动组件100包括驱动电机，驱动电机与左随动组件200直接传动连接，通过驱动电机的正反转带动左随动组件200和右随动组件300进行跖屈/背伸方向上的旋转运动，进而带动脚板可穿戴组件500作跖屈/背伸运动；

在一个优选实施例中，跖背屈驱动组件100包括驱动电机和传动组件，驱动电机通过传动组件与左随动组件200连接，传动组件可采用钢丝绳、链条、带传动组件。

在一个优选实施例中，如图4～6所示，传动组件为钢丝绳传动组件，钢丝绳传动组件包括谐波减速器108、输入轴109、驱动固定板110、力矩转接盘111、扭矩传感器112、主动驱动线轮113、主动驱动轮罩116、连接板225、绳套夹板226、从动驱动线轮227、从动驱动轮罩228、球头压块229和连接轴；谐波减速器108固定设置在驱动固定板110的一侧壁；输入轴109的一端与谐波减速器108传动配合，输入轴109的另一端与驱动电机的输出端传动连接；驱动固定板110上开设与谐波减速器108同轴的安装孔，力矩转接盘111间隙配合在安装孔内，并同轴固定在谐波减速器108的输出端；扭矩传感器112间隙配合在安装孔内，并同轴固定在力矩转接盘111上；主动驱动线轮113同轴固定在扭矩传感器112上；驱动轮罩116套置在主动驱动线轮113的外部，并固定连接在驱动固定板110的另一侧壁；在主动驱动线轮113上平行间隔地设置两道钢丝绳走线槽1131；

连接轴的一端伸入十字轴左233的中心轴块2332内，并与之紧配合，从动驱动线轮227间隙配合于连接轴的外部，并与转接盘左232的远端固定连接，从动驱动线轮227上设置有钢丝绳走线槽2271；从动驱动轮罩228套置在从动驱动线轮227的外部；连接板225同轴分布在从动驱动线轮227的外端面的外部，并与从动驱动轮罩228连接，连接轴的另一端紧配合在连接板225上；绳套夹板226可拆卸地安装在连接板225上，连接板225和绳套夹板226之间形成有供钢丝绳穿过的第一线孔244和第二线孔245；

钢丝绳绕设在从动驱动线轮227上的钢丝绳走线槽2271内，并通过球头压块229固定在钢丝绳走线槽2271内，钢丝绳的一端穿过第一线孔244并固定在主动驱动线轮113上的一钢丝绳走线槽1131内，钢丝绳的另一端穿过第二线孔245并固定在主动驱动线轮113上的另一钢丝绳走线槽1131内。

在一个优选实施例中，在阶梯轴346的外部套设有直线轴承347，十字轴右348的中心轴块3482套设在直线轴承347的外部，直线轴承347的内衬与阶梯轴346紧配合，十字轴右348的中心轴块3482和直线轴承347的外套紧配合；连接轴采用滚珠花键，滚珠花键上的花键轴234的一端伸入十字轴左233的中心轴块2332内，并与之紧配合，滚珠花键上的花键轴234的另一端伸出连接板225的外部；从动驱动线轮227转动设置在滚珠花键上的花键套235上，花键套235的端部配合安装在连接板225上；在连接板225的外部固定连接花键盖238，在花键盖238上设置位移传感器240。由于踝关节为球面关节，在进行踝关节的内外翻运动时，势必会产生一定的左右位移，利用滚珠花键的花键套235可以沿花键轴234滑动，阶梯轴346能够沿直线轴承347滑动，使得脚板可穿戴组件500能够相对于基座700左右滑动；以补偿踝关节进行内外翻运动时所需的左右位移，使得整个设备所具有的的自由度更符合人体踝关节的活动自由度，提高患者进行踝关节康复训练的舒适度。

在一个优选实施例中，跖背屈驱动组件100还包括电机垫板102、挡环103、第一同步轮104、第二同步轮105、同步带106和保持架107；保持架107固定连接在谐波减速器108的钢架上，输入轴109转动配合在保持架107上，输入轴109的另一端伸出保持架107的外部，第二同步轮105固定连接在输入轴109的另一端上；驱动电机的输出轴伸出保持架107的外部，第一同步轮104固定连接在驱动电机的输出轴上，第一同步轮104和第二同步轮105之间通过同步带106传动连接；电机垫板102固定连接在驱动电机的安装端面和保持架107之间，挡环103套置在驱动电机的安装端面和第一同步轮104之间的输出轴上，用于隔开驱动电机的主体和第一同步轮104。

在一个优选实施例中，在驱动固定板110的前端固定设置一张紧板122，张紧板122与驱动安装板110呈正交分布，张紧板122上开设有两个通孔，两通孔上均安装有螺纹管123，在第一线孔244和第二线孔245上均安装有螺纹管123，钢丝绳的一端穿过第一线孔244及其上的螺纹管123、张紧板122上的通孔及其上的螺纹管123，并固定在主动驱动线轮113上的一钢丝绳走线槽1131内；钢丝绳的另一端穿过第二线孔245及其上的螺纹管123、张紧板122上的另一通孔及其上的螺纹管123，并固定在主动驱动线轮113上的另一钢丝绳走线槽1131内；在位于张紧板122和连接板225之间的钢丝绳上塑料管，塑料管外部设有鱼骨珠，通过调节螺纹管123与张紧板122以及螺纹管123和连接板的距离，以调节钢丝绳的张紧度。

在一个优选实施例中，钢丝绳包括上钢丝绳段和下钢丝绳段；在驱动安装板110的另一侧壁上设置用于张紧钢丝绳的第一张紧组件和第二张紧组件；第一张紧组件设置在驱动安装板110的另一侧壁的上部，用于张紧上钢丝绳段；第二张紧组件设置在驱动安装板110的另一侧壁的下部，用于张紧下钢丝绳段。第一张紧组件和第二张紧组件的结构相同，以第一张紧组件为例作以说明，其包括第一钢丝轮轴组件117、第二钢丝轮轴组件118、顶紧轮座119、拉压力传感器120和安装座121；第一钢丝轮轴组件117和第二钢丝轮轴组件118分布在上钢丝绳段的下方，并间隔固定在驱动安装板110上，安装座121固定在驱动安装板110的顶部，拉压力传感器120朝下固定在安装座121上，顶紧轮座119固定在拉压力传感器120上，顶紧轮座119上的顶紧轮向下压着上钢丝绳段，实现上钢丝绳段的张紧，拉压力传感器120能够实时采集到钢丝绳上的拉力，进而能够计算出进行跖屈/背伸运动时所需的扭矩，反映踝关节的康复情况。

在一个优选实施例中，驱动电机可采用微型直流电机101。

在一个实施例中，如图8、图9、图12所示，左换向组件包括弧形导轨滑块405、限位块406和限位挡块407；弧形导轨滑块405上的弧形导轨4051固定在左L型连接座702的底部，弧形导轨滑块405上的滑块4052固定连接在左随动组件200的顶部，在左L型连接座702的外侧设置限位块406，在左随动组件200的顶部且位于限位块406两侧间隔设置两限位挡块407；

右换向组件包括齿轮座、齿轮403、磁性旋转编码器、齿轮端盖、磁铁、弧形导轨滑块405和弧形齿条404；齿轮座固定安装在右随动组件300的外侧；磁性旋转编码器同轴地安装在齿轮座的内部，磁性旋转编码器实时反馈脚踝内外旋转的角度值，齿轮403转动配合在齿轮座的伸出端，在齿轮403外部设有齿轮端盖，用于定位齿轮外圈，齿轮端盖内部设有一磁铁；在右L型连接座703的底部固定设置一弧形齿条404，弧形齿条404与齿轮403相互啮合；在右随动组件300的顶部安装一弧形导轨滑块405，其中，弧形导轨滑块405上的弧形导轨4051紧贴于弧形齿条404并固定安装在右L型连接座703的底部，弧形导轨滑块405上的滑块4052固定连接在右随动组件300的顶部；

进行内旋/外旋运动时，左右分布的两弧形导轨滑块405上的滑动4052沿各自的弧形导轨4051反向运动，小齿轮403随对应侧的滑块4052一起滑动，并始终与弧形齿条404啮合，磁性旋转编码器根据齿轮端盖内的磁铁位置变化，实时反馈脚踝内/外旋转的角度值，同时，两个限位挡块407和限位块406配合，进而限制脚板可穿戴组件500的内旋极限角度和外旋极限角度。

在一个优选实施例中，在右随动组件300上安装驱动机构，驱动机构与弧形导轨滑块405上的滑块4052连接，用于驱动滑块4052沿弧形导轨4051滑动，实现第一换向驱动组件带动脚板可穿戴组件500主动进行内旋/外旋运动。

在一个优选实施例中，在左L型连接板702和左换向组件之间、右L型连接板703和右换向组件之间均设有中位限制框401，能够限制脚板可穿戴组件500进行踝关节的内旋/外旋运动时的自由度。

在一个优选实施例中，如图10、图11所示，第二换向驱动组件包括连接板402、传动齿轮410、齿条411，传动齿轮410转动设置在安装座体701上，两齿条411对称分布在传动齿轮410的两侧，并与传动齿轮410啮合，两齿条411分别通过连接板402固定安装在左L型连接座702和右L型连接座703上。

在一个优选实施例中，在安装座体701上设置驱动机构，驱动机构与传动齿轮410连接，控制传动齿轮正反转动，实现第二换向驱动组件带动脚板可穿戴组件500主动进行内翻/外翻运动。

在一个优选实施例中，在连接板225和安装座体701之间设置中位板224，中位板224的一端固定在连接板225上，中位板224的另一端固定在安装座体701上，用于限制脚板可穿戴组件500的内/外旋、内/外翻以及左右位移的自由度。

在一个实施例中，如图12所示，安装座体701包括呈竖直间隔布置的两立式支架7011，位置可调地安装在两立式支架7011上的固定架7012，罩置在固定架7012的前部的盖板7013，左L型连接座702和右L型连接座703均滑动设置在固定架7012上，左L型连接座702和右L型连接座703的一端均伸出盖板7013的外部，盖板7013上开设有供左L型连接座702和右L型连接座703运动的槽口。

在一个实施例中，小腿可穿戴组件600包括小腿支撑垫704，小腿支撑垫通过两侧滑扣固定安装在盖板7013的前部，可以选用不同型号或款式的小腿支撑垫，以便适用小腿不同大小患者的使用。

在一个实施例中，如图13所示，脚板可穿戴组件500包括脚底板503，分别固定设置在脚底板503的两侧的两脚侧立板501，分布于脚底板503的后部并固定在其上的脚后跟立板502，以及分布在脚底板503的前部的上方的卡扣条507，卡扣条507的两端固定在脚底板503上。

在一个优先实施例中，在脚底板503的侧端面上间隔设置多个螺纹柱504，在脚侧立板501上间隔开设与多个螺纹柱504配合的竖直腰型孔505，螺纹柱504和对应的竖直腰型孔505之间通过螺母配合，使得脚侧立板501固定在脚底板503上，两脚侧立板501在连接锁紧前可相对于脚底板503进行竖直方向的位置调整，以便适用于不同腿长患者的使用。在脚底板503的后部的两侧设置两第一水平腰型孔506，在脚后跟立板503的两端底部开设与对应侧的第一水平腰型孔506配合的螺纹孔，第一水平腰型孔506和脚后跟立板503上的螺纹孔配合通过螺栓，使脚后跟立板502固定在脚底板503上，脚后跟立板502在螺栓锁紧前可以进行前后方向的位置调整，以便适用于不同脚长患者的使用；同时，在脚底板503的前部的两侧设置用于安装卡扣条507的两第二水平腰型孔508，卡扣条507可选用类似于橡胶的软性材料，卡扣条507的两端通过变形挤压的方式压入脚底板503上对应侧的第二水平腰型孔508中；在两脚侧立板501的外部端面上分别开设用于安装扭矩传感器231和扭矩传感器345的止口槽509。

在一个实施例中，本发明可应用到移动式座椅等设备上，方便患者进行踝关节康复训练，其他安装座体701可安装在移动式座椅上。

在一个实施例中，本发明还包括触屏一体机，与扭矩传感器112、扭矩传感器231、位移传感器240、扭矩传感器345、角度传感器350、磁性旋转编码器和驱动电机，能够在踝关节训练中实时显示运动轨迹以及康复训练状态，还可以实现人机游戏互动性训练等等。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种多自由度的踝关节智能康复设备，其特征在于，包括：

基座(700)，包括安装座体(701)，间隔设置在所述安装座体(701)上的左L型连接座(702)和右L型连接座(703)；

小腿可穿戴组件(600)，所述小腿可穿戴组件(600)固定在所述安装座体(701)的前部，用于固定患者的小腿；

脚板可穿戴组件(500)，分布在所述小腿可穿戴组件(600)的前下方，用于固定患者的脚部；

左随动组件(200)，连接在所述脚板可穿戴组件(500)的左端面上，所述左随动组件(200)具有供所述脚板可穿戴组件(500)作跖屈/背伸运动的转动自由度；

右随动组件(300)，与所述左随动组件(200)对称地连接在所述脚板可穿戴组件(500)的右端面，所述右随动组件(300)具有供所述脚板可穿戴组件(500)作跖屈/背伸运动的转动自由度；

所述左随动组件(200)和右随动组件(300)的顶部分别对应连接在所述左L型连接座(702)和所述右L型连接座(703)上；

跖背屈驱动组件(100)，与所述左随动组件(200)传动连接，用于驱动所述左随动组件(200)和右随动组件(300)进行跖屈/背伸方向上的旋转运动，进而带动所述脚板可穿戴组件(500)作跖屈/背伸运动；

所述左随动组件(200)包括第二扭矩传感器(231)、转接盘左(232)、十字轴左(233)和十字轴座左(241)；

所述第二扭矩传感器(231)固定设置在所述脚板可穿戴组件(500)的左端面上，所述十字轴座左(241)位于所述第二扭矩传感器(231)的外侧并固定连接在所述左L型连接座(702)上；所述转接盘左(232)位于所述十字轴座左(241)的内部，所述转接盘左(232)的近端端面同轴固定连接在所述第二扭矩传感器(231)上，所述转接盘左(232)上对称开设有两第一弧形槽(2321)；所述十字轴左(233)设置在所述转接盘左(232)内，十字轴左(233)的两连接轴(2331)通过两所述第一弧形槽(2321)伸出所述转接盘左(232)的外部，并配合在所述十字轴座左(241)上。

2.如权利要求1所述的一种多自由度的踝关节智能康复设备，其特征在于，还包括换向驱动组件(400)，所述换向驱动组件(400)包括第一换向驱动组件和第二换向驱动组件；所述第一换向驱动组件包括连接在所述左L型连接座(702)与左随动组件(200)之间的左换向组件，以及连接在所述右L型连接座(703)和右随动组件(300)之间的右换向组件，使得所述脚板可穿戴组件(500)具有配合踝关节的内旋/外旋运动的自由度；

所述第二换向驱动组件设置在位于所述左L型连接座(702)和右L型连接座(703)之间的所述安装座体(701)上，并与所述左L型连接座(702)和右L型连接座(703)连接，所述左L型连接座(702)和所述右L型连接座(703)均滑动设置在所述安装座体(701)上，第二换向驱动组件在进行踝关节的内翻/外翻运动时驱动所述左L型连接座(702)和右L型连接座(703)在所述安装座体(701)上下交错运动，使得脚板可穿戴组件(500)具有配合踝关节的内翻/外翻运动的自由度。

3.如权利要求1所述的一种多自由度的踝关节智能康复设备，其特征在于：

所述右随动组件(300)包括转接盘右(344)、第三扭矩传感器(345)、阶梯轴(346)、十字轴右(348)、键轴(349)、角度传感器(350)和十字轴座右(351)；所述第三扭矩传感器(345)固定设置在所述脚板可穿戴组件(500)的右端面上；所述十字轴座右(351)位于所述第三扭矩传感器(345)的外侧并固定连接在所述右L型连接座(703)上；所述转接盘右(344)位于所述十字轴座右(351)的内部，所述转接盘右(344)的近端端面同轴固定在所述第三扭矩传感器(345)上，所述转接盘右(344)上对称开设有两第二弧形槽(3441)；所述阶梯轴(346)同轴设置在所述转接盘右(344)内；十字轴右(348)的中心轴块(3482)间隙配合在所述阶梯轴(346)的外圈上，十字轴右(348)的两连接轴(3481)通过两所述第二弧形槽(3441)伸出所述转接盘右(344)的外部，并配合安装在所述十字轴座右(351)上；所述角度传感器(350)安装在所述十字轴右(348)的外端面上，所述键轴(349)同轴安装在所述角度传感器(350)上；所述阶梯轴(346)的一端同轴配装在键轴(349)上，所述阶梯轴(346)的另一端穿过所述转接盘右(344)和第三扭矩传感器(345)连接在所述脚板可穿戴组件(500)的右端面上。

4.如权利要求2所述的一种多自由度的踝关节智能康复设备，其特征在于：

左换向组件包括弧形导轨滑块(405)、限位块(406)和限位挡块(407)；所述弧形导轨滑块(405)上的弧形导轨(4051)固定在所述左L型连接座(702)的底部，所述弧形导轨滑块(405)上的滑块(4052)固定连接在所述左随动组件(200)的顶部，在所述左L型连接座(702)的外侧设置限位块(406)，在所述左随动组件(200)的顶部且位于所述限位块(406)两侧间隔设置两限位挡块(407)；

右换向组件包括齿轮座、小齿轮(403)、磁性旋转编码器、齿轮端盖、磁铁、弧形导轨滑块(405)和弧形齿条(404)；所述齿轮座固定安装在所述右随动组件(300)的外侧；所述磁性旋转编码器同轴地安装在所述齿轮座的内部，所述小齿轮(403)转动配合在所述齿轮座的伸出端，在所述齿轮(403)外部设有齿轮端盖，用于定位齿轮外圈，所述齿轮端盖内部设有一磁铁；在所述右L型连接座(703)的底部固定设置所述弧形齿条(404)，所述弧形齿条(404)与所述齿轮(403)相互啮合；在所述右随动组件(300)的顶部安装所述弧形导轨滑块(405)，其中，所述弧形导轨滑块(405)上的弧形导轨(4051)紧贴于所述弧形齿条(404)并固定安装在所述右L型连接座(703)的底部，弧形导轨滑块(405)上的滑块(4052)固定连接在所述右随动组件(300)的顶部；

所述第二换向驱动组件包括第一连接板(402)、传动齿轮(410)和齿条(411)，所述传动齿轮(410)转动设置在所述安装座体(701)上，两所述齿条(411)对称分布在所述传动齿轮(410)的两侧，并与所述传动齿轮(410)啮合，两所述齿条(411)分别通过第一连接板(402)固定安装在所述左L型连接座(702)和右L型连接座(703)上。

5.如权利要求1所述的一种多自由度的踝关节智能康复设备，其特征在于：

所述跖背屈驱动组件(100)包括驱动电机，所述驱动电机与所述左随动组件(200)直接传动连接，所述驱动电机的正反转带动所述左随动组件(200)和右随动组件(300)进行跖屈/背伸方向上的旋转运动，进而带动所述脚板可穿戴组件(500)作跖屈/背伸运动。

6.如权利要求3所述的一种多自由度的踝关节智能康复设备，其特征在于：

所述跖背屈驱动组件(100)包括驱动电机和传动组件，所述驱动电机通过传动组件与所述左随动组件(200)连接，传动组件采用钢丝绳、链条或带传动组件。

7.如权利要求6所述的一种多自由度的踝关节智能康复设备，其特征在于：

所述传动组件为钢丝绳传动组件，所述钢丝绳传动组件包括谐波减速器(108)、输入轴(109)、驱动固定板(110)、力矩转接盘(111)、第一扭矩传感器(112)、主动驱动线轮(113)、主动驱动轮罩(116)、第二连接板(225)、绳套夹板(226)、从动驱动线轮(227)、从动驱动轮罩(228)、球头压块(229)和连接轴；

所述谐波减速器(108)固定设置在所述驱动固定板(110)的一侧；所述输入轴(109)的一端与所述谐波减速器(108)传动配合，所述输入轴(109)的另一端与所述驱动电机的输出端传动连接；所述驱动固定板(110)上开设与所述谐波减速器(108)同轴的安装孔，所述力矩转接盘(111)间隙配合在安装孔内，并同轴固定在所述谐波减速器(108)的输出端；所述第一扭矩传感器(112)间隙配合在安装孔内，并同轴固定在所述力矩转接盘(111)上；所述主动驱动线轮(113)同轴固定在所述第一扭矩传感器(112)上；所述驱动轮罩(116)套置在所述主动驱动线轮(113)的外部，并固定连接在所述驱动固定板(110)的另一侧；在所述主动驱动线轮(113)上平行间隔地设置两道第一钢丝绳走线槽(1131)；

连接轴的一端伸入所述十字轴左(233)的中心轴块(2332)内，并与之紧配合；所述从动驱动线轮(227)间隙配合在所述连接轴的外部，并与所述转接盘左(232)的远端固定连接，所述从动驱动线轮(227)上设置有第二钢丝绳走线槽(2271)；所述从动驱动轮罩(228)套置在所述从动驱动线轮(227)的外部；所述连接板(225)同轴分布在所述从动驱动线轮(227)的外端面的外部，并与所述从动驱动轮罩(228)连接，所述连接轴的另一端紧配合在所述第二连接板(225)上；所述绳套夹板(226)可拆卸地安装在所述第二连接板(225)上，所述第二连接板(225)和绳套夹板(226)之间形成有供钢丝绳穿过的第一线孔(244)和第二线孔(245)；

钢丝绳绕设在从动驱动线轮(227)上的第二钢丝绳走线槽(2271)内，并通过球头压块(229)固定在从动驱动线轮(227)上的第二钢丝绳走线槽(2271)内，所述钢丝绳的一端穿过所述第一线孔(244)并固定在主动驱动线轮(113)上的一第一钢丝绳走线槽(1131)内，所述钢丝绳的另一端穿过第二线孔(245)并固定在所述主动驱动线轮(113)上的另一第一钢丝绳走线槽(1131)内。

8.如权利要求7所述的一种多自由度的踝关节智能康复设备，其特征在于：在所述阶梯轴(346)的外部套设有直线轴承(347)，所述十字轴右(348)的中心轴块(3482)套设在所述直线轴承(347)的外部，所述直线轴承(347)的内衬与所述阶梯轴(346)紧配合，所述十字轴右(348)的中心轴块(3482)和所述直线轴承(347)的外套紧配合；所述连接轴采用滚珠花键，所述滚珠花键上的花键轴(234)的一端伸入所述十字轴左(233)的中心轴块(2332)内，并与之紧配合，所述滚珠花键上的花键轴(234)的另一端伸出所述连接板(225)的外部；所述从动驱动线轮(227)转动设置所述滚珠花键上的花键套(235)上，所述花键套(235)的端部配合安装在所述连接板(225)上；在所述连接板(225)的外部固定连接花键盖(238)，在所述花键盖(238)上设置位移传感器(240)。

9.如权利要求1所述的一种多自由度的踝关节智能康复设备，其特征在于：

脚板可穿戴组件(500)包括脚底板(503)，分别固定设置在所述脚底板(503)的两侧的两脚侧立板(501)，分布于所述脚底板(503)的后部并固定在其上的脚后跟立板(502)，以及分布在脚底板(503)的前部的上方的卡扣条(507)，所述卡扣条(507)的两端固定在所述脚底板(503)上；

所述安装座体(701)包括呈竖直间隔布置的两立式支架(7011)，位置可调地安装在两立式支架(7011)上的固定架(7012)，罩置在所述固定架(7012)的前部的盖板(7013)，所述左L型连接座(702)和右L型连接座(703)均滑动设置在所述固定架(7012)上，所述左L型连接座(702)和右L型连接座(703)的一端均伸出所述盖板(7013)的外部，所述盖板(7013)上开设有供所述左L型连接座(702)和右L型连接座(703)运动的槽口；

所述小腿可穿戴组件(600)包括小腿支撑垫(704)，所述小腿支撑垫(704)通过两侧滑扣固定安装在所述盖板(7013)的前部。

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