CN111513982B - 一种并联式脚踝康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并联式脚踝康复机器人，其包括动平台、定平台、三个运动分支和三个驱动装置，运动分支的顶端和底端分别与动平台和定平台转动连接。定平台和动平台分别设有三个转动副，位置相互对应，且相对于第一平面平行。动平台上的脚踏板位于第一平面的下方，且平行于第一平面。运动分支包括第一连杆、第二连杆和第一球副。本发明具有两个转动自由度和一个移动自由度，能够带动人体脚踝实现旋前/旋后，内翻/外翻运动，并且可以根据患者自身踝关节的结构尺寸对自身康复的初始位置进行一定的调节，以保证机构的运动与人体踝关节的运动性质相吻合，从而保证康复的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，尤其涉及一种并联式脚踝康复机器人。
背景技术
踝关节是人体重要的承重和运动关节，人体的站立、行走中踝关节都起到了重要的作用，由于踝关节在运动中负重较大并且由于其自身结构特点在运动中特别容易损伤，每年有许多人因为运动损伤、中风、踝关节疾病等原因导致踝关节受损，失去正常运动能力。在治疗脚踝损伤疾病的中后期常常采用治疗师对患者脚踝进行按摩，在这种物理治疗过程中需要患者和治疗师一对一的进行康复训练，虽然这种治疗方式对患者的康复起到了重要的作用，但是随着患者数量的增多，理疗师的人数严重缺乏，其次这种康复方式费时费力效率较低，训练过程缺乏趣味性，并且不能够实时记录患者各种训练康复参数，从而难以定量的对患者进行康复效果评估。
目前，市场上已经存在一些种类的踝关节康复装置，但现有踝关节康复装置有些无法实现机构转动中心与踝关节运动中心的重合，有些装置只有1个或2个自由度，不满足踝关节康复训练的要求，训练模式不符合人体结构需求，容易对患者造成二次损伤。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种并联式脚踝康复机器人，其具有三个自由度，不仅可以较好的实现人体踝关节的旋前/旋后，内翻/外翻运动，还可以实现转动轴线高度方向的调节，使得本装置的运动更加符合人体踝关节的运动特点，达到更好的康复效果。
具体地，本发明采用如下技术方案进行实现：
本发明提供一种并联式脚踝康复机器人，其包括定平台、动平台以及设置在所述动平台和定平台之间的三个并列的运动分支，每一个运动分支分别设置有一个驱动装置，所述每一个运动分支的顶端和底端分别与所述动平台和所述定平台转动连接，三个运动分支的结构相同，均为转动副-球铰副-转动副RSR结构；
所述定平台和动平台分别设置有三个转动副，定平台的三个转动副分别为第一转动副、第二转动副和第三转动副，动平台的三个转动副分别为第四转动副、第五转动副和第六转动副，其中第一转动副与第四转动副的位置相对应，第二转动副与第五转动副的位置相对应，第三转动副与第六转动副的位置相对应，三个所述运动分支的第一球副的球心平面为第一平面，六个转动副均相对于第一平面对称，所述动平台设置有脚踏板，所述脚踏板位于第一平面的下方，且平行于第一平面和动平台的平面，三个所述运动分支结构相同，每一个运动分支分别包括第一连杆、第二连杆和第一球副，所述第一连杆的第一端与所述定平台转动连接，所述第一连杆的第二端与所述第一球副的第一端连接，所述第二球副的第二端与所述第二连杆的第一端连接，所述第二连杆的第二端与所述动平台连接。
优选地，第一转动副与第二转动副相互垂直，第二转动副与第三转动副相互垂直，第一转动副与第三转动副相互平行。
优选地，第四转动副与第五转动副相互垂直，第五转动副与第六转动副相互垂直，第四转动副与第六转动副相互平行。
优选地，第一转动副的纵向中轴线与第二转动副的横向中轴线之间的垂直距离等于第二转动副的纵向中轴线与第三转动副横向中轴线之间的垂直距离，第一转动副的横向中轴线与第二转动副的纵向中轴线之间的垂直距离等于第二转动副的横向中轴线与第三转动副纵向中轴线之间的垂直距离。
优选地，第四转动副的纵向中轴线与第五转动副的横向中轴线之间的垂直距离等于第五转动副的纵向中轴线与第六转动副横向中轴线之间的垂直距离，第四转动副的横向中轴线与第五转动副的纵向中轴线之间的垂直距离等于第五转动副的横向中轴线与第六转动副纵向中轴线之间的垂直距离。
优选地，所述驱动装置包括伺服电机、电机支架和联轴器，每一个运动分支设置有一个伺服电机，所述伺服电机借助于电机支架和联轴器进行安装，伺服电机的运动量代表该分支的输出量。
优选地，所述第一连杆和第二连杆均为弧形，所述第一连杆和第二连杆的长度相等。
优选地，还包括监测系统，所述监测系统包括角位移传感器、限位开关和力传感器，所述角位移传感器安装在各个转动副的位置处，所述限位开关分布在各转动副极限位置处，所述力传感器安装在所述脚踏板上，所述脚踏板上设有外部连接组件，所述外部连接组件能安装加热装置或按摩装置。
优选地，所述脚踏板借助于连杆与所述动平台连接，所述脚踏板的连杆的长度能够调节，通过调整连杆长度实现不同脚踝高度的人在康复训练过程中踝关节中心和机器人实际转动中心重合，或通过机器人自身的上升下降进行调节。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的并联式脚踝康复机器人，能够实现动平台的升降、侧倾和俯仰运动，本发明装置具有三个自由度不仅可以较好的实现人体踝关节的旋前/旋后，内翻/外翻运动，还可以实现转动轴线高度方向的调节，使得本装置的运动更加符合人体踝关节的运动特点，达到更好的康复效果。
2、本发明的机构安装方便，踝关节可活动空间大，活动度多，能满足所有踝关节运动要求；康复机器人不仅能适用于医疗康复，在脚踏板上安装其他辅助设施可实现更多功能需求，不仅可以广泛应用于医院、诊所、康复机构等医疗机构，还能用于家庭的居家保健。
3、本发明的分支所包含运动副数目少，运动副简单，便于提高控制的精确性，减少控制的复杂性，对安装精度要求相比于其他并联机构也较低，机构安装方便，活动空间大，克服了传统对称并联机构控制复杂，强耦合性等缺点。
附图说明
图1为本发明的并联式脚踝康复机器人的结构示意图；
图2为本发明的定平台结构示意图；
图3为本发明的动平台结构示意图；
图4为本发明的一个运动分支结构示意图；
图5为本发明的整体安装示意图；
图6为本发明的并联式脚踝康复机器人的运动状态示意图。
其中部分附图标记如下所示：
1-定平台；2-动平台；3-运动分支；4-驱动装置；11-第一转动副；12-第二转动副；13-第三转动副；21-第四转动副；22-第五转动副；23-第六转动副；24-脚踏板；31-第一连杆；32-第一球副；33-第二连杆；34-第一平面；41-伺服电机；42-电机支架；43-联轴器。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
现结合附图对本发明一实施例提供的并联式脚踝康复机器人进行说明。如图1至图6所示，本发明的并联式脚踝康复机器人包括定平台1、动平台2、设置在定平台1与动平台2之间三个并列的运动分支3和三个驱动装置4。三个运动分支3均为转动副-球铰副-转动副RSR结构。
定平台设置三个转动副，分别为第一转动副11、第二转动副12和第三转动副13。动平台设置三个转动副，分别为第四转动副21、第五转动副22和第六转动副23。在转动副中，第一转动副11与第四转动副21的位置相对应，第二转动副12与第五转动副22的位置相对应，第三转动副13与第六转动副33的位置相对应，它们都相对于第一平面34对称。其中，第一平面34为通过三个运动分支的第一球副32的球心平面。动平台2上的脚踏板24位于第一平面34的下方，且平行于第一平面34。
动平台2中的脚踏板24与动平台2平面平行。动平台2设置为U形，脚踏板24设置在动平台2下方，更适合使用者进行运动。
第一转动副11与第二转动副12相互垂直，第二转动副12与第三转动副13相互垂直，第一转动副11与第三转动副13相互平行。第四转动副21与第五转动副22相互垂直，第五转动副22与第六转动副23相互垂直，第四转动副21与第六转动副23相互平行。
三个运动分支3结构相同，针对每一个运动分支，运动分支3包括与第一转动副11连接的第一连杆31、与第四转动副21连接的第二连杆33；第一连杆31与第二连杆33之间通过第一球副32连接。定平台1上的三个转动副的轴线与定平台1的安装平面平行，动平台2上的三个转动副的轴线与动平台2的安装平面平行。各运动分支3的第一连杆31与第二连杆33的长度相同。
如图2所示，第一转动副11和第二转动副12垂直设置，第一转动副和第三转动副13平行设置。图中，第一转动副11的纵向中轴线L42与第二转动副12的横向中轴线L51之间的垂直距离等于第二转动副12的纵向中轴线L52与第三转动副横向中轴线L61之间的垂直距离，第一转动副11的横向中轴线L41与第二转动副12的纵向中轴线L52之间的垂直距离等于第二转动副12的横向中轴线L51与第三转动副纵向中轴线L62之间的垂直距离。
如图3所示，第四转动副21和第五转动副22垂直设置，第四转动副和第六转动副23平行设置。图中，第四转动副21的纵向中轴线L11与第五转动副22的横向中轴线L22之间的垂直距离等于第五转动副22的纵向中轴线L21与第六转动副横向中轴线L32之间的垂直距离，第四转动副21的横向中轴线L12与第五转动副22的纵向中轴线L21之间的垂直距离等于第五转动副22的横向中轴线L22与第六转动副纵向中轴线L31之间的垂直距离。
驱动装置4包括伺服电机41、电机支架42和联轴器43。每一个运动分支设置有一个伺服电机，伺服电机借助于电机支架和联轴器进行安装，伺服电机的运动量代表分支的输出量。
在一个具体的实施例中，该康复机构还包括监测系统，监测系统包括角位移传感器、限位开关和力传感器，角位移传感器安装在各个转动副的位置处，限位开关分布在各转动副极限位置处，力传感器安装在脚踏板上。通过这些传感器的布置，既能保证机器人的信息智能化，还加强了机器人的整体安全稳定性。在成本可控的基础上，可采用机电采集系统以更加直观的了解训练者的生理反馈。
具体应用中，脚踏板24与转动中心的距离以适应踝关节高度不同的人，使得实际踝关节中心与康复机器人实际转动中心重合以达到更好的运动训练效果；优选的，脚踏板24在动平台框架里面且处于框架下方；在运动过程中保证脚不会被动平台框架及其他构件所干涉，动平台框架的大小能适合90%以上的人的脚的尺寸，针对不同大小的脚所对应的安全保护设施也能进行相应的调整到最合适的状态，在另一个实施例中，脚踏板上设有外部连接组件，能安装相应的固定保护设施使得机构更加可靠和舒适；也能安装加热装置或按摩装置，以丰富康复机器人的功能；此外，根据不同人群需要，可在脚踏板上添加其他相应结构以丰富整个机器人的功能。
具体实施例
具体地，本实施例提供的并联式脚踝康复机器人包括三个并联的运动分支，分别为第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支，三个运动分支的结构组成部分相同，均为转动副-球铰副-转动副RSR结构，三个运动分支的两端均分别连接定平台1和动平台2，由相应的驱动装置4驱动，进而实现动平台2的升降、侧倾和俯仰运动三个自由度的运动。本发明装置具有三个自由度不仅可以较好的实现人体踝关节的旋前/旋后，内翻/外翻运动，还可以实现转动轴线高度方向的调节，使得本装置的运动更加符合人体踝关节的运动特点，达到更好的康复效果；本装置可广泛应用于医院、家庭、康复机构等医疗机构。
下面对本发明的工作原理进行进一步说明：
具体地，把要康复的脚放在脚踏板24上，然后通过调节三个驱动装置4，使得脚踝的轴线在第一平面34上，进而控制三个驱动装置4，使得动平台2实现侧倾和俯仰运动，满足人体踝关节的旋前/旋后，内翻/外翻运动，达到康复效果。
在工作时，通过调节第一转动副11、第二转动副12以及第三转动副13，从而使动平台上下运动，使脚踝轴线在第一平面34内，三个转动副配合实现两个绕轴线的转动，即实现旋前/旋后，内翻/外翻运动。当给定所需的多种关节运动速度及范围，可通过同时控制多个相应的电机以实现相应的运动。与此同时，通过采集的各种运动反馈信号对机构的运动进行实时调整以达到最好的康复训练效果。如需进行主动训练，将各个驱动电机解除锁死使得电机均为随动件即可。
弧形杆为了使球副充分得到利用，球副的转动是有角度限制的，根据人脚踝轴线到脚底板之间的距离，需要调整第一平面34与脚踏板24之间的距离，尽量使弧形杆末端安装球副的位置平面与第一平面34平行。
本发明的并联式脚踝康复机器人，能够实现动平台的升降、侧倾和俯仰运动，本发明装置具有三个自由度不仅可以较好的实现人体踝关节的旋前/旋后，内翻/外翻运动，还可以实现转动轴线高度方向的调节，使得本装置的运动更加符合人体踝关节的运动特点，达到更好的康复效果。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种并联式脚踝康复机器人，其特征在于：其包括定平台、动平台以及设置在所述动平台和定平台之间的三个并列的运动分支，每一个运动分支分别设置有一个驱动装置，所述每一个运动分支的顶端和底端分别与所述动平台和所述定平台转动连接，三个运动分支的结构相同，均为转动副-球铰副-转动副RSR结构；
所述定平台和动平台分别设置有三个转动副，定平台的三个转动副分别为第一转动副、第二转动副和第三转动副，动平台的三个转动副分别为第四转动副、第五转动副和第六转动副，其中第一转动副与第四转动副的位置相对应，第二转动副与第五转动副的位置相对应，第三转动副与第六转动副的位置相对应，三个所述运动分支的第一球副的球心平面为第一平面，六个转动副均相对于第一平面对称，所述动平台设置有脚踏板，所述脚踏板位于第一平面的下方，且平行于第一平面和动平台的平面，每一个运动分支分别包括第一连杆、第二连杆和第一球副，所述第一连杆的第一端与所述定平台转动连接，所述第一连杆的第二端与所述第一球副的第一端连接，所述第一球副的第二端与所述第二连杆的第一端连接，所述第二连杆的第二端与所述动平台连接；
第一转动副与第二转动副相互垂直，第二转动副与第三转动副相互垂直，第一转动副与第三转动副相互平行；
第四转动副与第五转动副相互垂直，第五转动副与第六转动副相互垂直，第四转动副与第六转动副相互平行。
2.根据权利要求1所述的并联式脚踝康复机器人，其特征在于：第一转动副的纵向中轴线与第二转动副的横向中轴线之间的垂直距离等于第二转动副的纵向中轴线与第三转动副横向中轴线之间的垂直距离，第一转动副的横向中轴线与第二转动副的纵向中轴线之间的垂直距离等于第二转动副的横向中轴线与第三转动副纵向中轴线之间的垂直距离。
3.根据权利要求1所述的并联式脚踝康复机器人，其特征在于：第四转动副的纵向中轴线与第五转动副的横向中轴线之间的垂直距离等于第五转动副的纵向中轴线与第六转动副横向中轴线之间的垂直距离，第四转动副的横向中轴线与第五转动副的纵向中轴线之间的垂直距离等于第五转动副的横向中轴线与第六转动副纵向中轴线之间的垂直距离。
4.根据权利要求1所述的并联式脚踝康复机器人，其特征在于：所述驱动装置包括伺服电机、电机支架和联轴器，每一个运动分支设置有一个伺服电机，所述伺服电机借助于电机支架和联轴器进行安装，伺服电机的运动量代表该分支的输出量。
5.根据权利要求1所述的并联式脚踝康复机器人，其特征在于：所述第一连杆和第二连杆均为弧形，所述第一连杆和第二连杆的长度相等。
6.根据权利要求4所述的并联式脚踝康复机器人，其特征在于：还包括监测系统，所述监测系统包括角位移传感器、限位开关和力传感器，所述角位移传感器安装在各个转动副的位置处，所述限位开关分布在各转动副极限位置处，所述力传感器安装在所述脚踏板上，所述脚踏板上设有外部连接组件，所述外部连接组件能安装加热装置或按摩装置。
7.根据权利要求6所述的并联式脚踝康复机器人，其特征在于：所述脚踏板借助于连杆与所述动平台连接，所述脚踏板的连杆的长度能够调节，通过调整连杆长度实现不同脚踝高度的人在康复训练过程中踝关节中心和机器人实际转动中心重合，或通过机器人自身的上升下降进行调节。
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- 2020-04-17 CN CN202010309348.4A patent/CN111513982B/zh active Active
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| CN111513982A (zh) | 2020-08-11 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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