CN112274381B - 一种六自由度脚踝康复辅助训练系统、康复训练控制终端 - Google Patents

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Abstract

本发明属于脚踝康复训练技术领域，公开了一种六自由度脚踝康复辅助训练系统、方法及应用，三轴移动平台上侧通过螺栓固定有球面3RRS并联转台；三轴移动平台底部设置有丝杠抱闸机构，丝杠抱闸机构上侧设置有齿轮齿条传动机构，齿轮齿条传动机构上侧设置有剪叉式升降机构；3RRS并联转台设置有底座箱体，底座箱体上铰接有下杆，下杆上铰接有上杆，上杆上设置有球铰外壳。本发明根据患者身长调节垂直高度，替代了座椅调节；设计符合人机工程学，提高了患者康复舒适度；球面并联转台的闭链结构具有高刚度，并且并联驱动降低了误差累积效应；精度高，保证控制精确无误，避免导致二次伤害，安全性高；节约了医患双方的时间成本。

Description

一种六自由度脚踝康复辅助训练系统、康复训练控制终端
技术领域
本发明属于脚踝康复训练技术领域，尤其涉及一种六自由度脚踝康复辅助训练系统、方法及应用。
背景技术
踝关节是脚部血液流经的重要部位，在剧烈运动中，极易损伤。因踝关节损伤而导致的下肢运动功能障碍的患者数量比重较高，流行病学研究表明，踝关节扭伤约占所有运动损伤的30％。踝关节术后康复训练至关重要，目前对于踝关节的康复训练多采用人工康复方法，随着患者数量的增加，康复医师的劳动强度也增大。踝关节康复机器人可帮助医师摆脱重复性工作。然而，目前的脚踝康复辅助装置仍有较大改进空间，机械结构本体仍存有一些缺陷，如结构复杂、控制精度不足、自由度不足导致的不灵活、占用空间大等缺点，而且相关训练装置较少。因此，从可调性、舒适性、安全性、经济性等方面考虑，提出一种六自由度脚踝康复辅助训练装置。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的脚踝康复辅助装置具有结构复杂、控制精度不足、自由度不足导致的不灵活、占用空间大。
解决以上问题及缺陷的难度为：结构简化的同时要保证满足训练所需自由度和负载能力；结构紧凑需考虑末端执行器可达工作空间；运动自由度的定性和定量分析。
解决以上问题及缺陷的意义为：本发明从可调性、舒适性、安全性和经济性等方面优化设计六自由度脚踝康复辅助训练装置，减轻康复医师工作量，有效提高训练自动化程度、工作效率和训练效果，帮助踝关节患者早日康复。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种六自由度脚踝康复辅助训练系统、方法及应用。
本发明的技术方案为，一种六自由度脚踝康复辅助训练系统设置有：
三轴移动平台；
所述三轴移动平台上侧通过螺栓固定有球面3RRS并联转台；
所述三轴移动平台底部设置有丝杠抱闸机构，所述丝杠抱闸机构上侧设置有齿轮齿条传动机构，所述齿轮齿条传动机构上侧设置有剪叉式升降机构；
所述3RRS并联转台设置有底座箱体，所述底座箱体上铰接有下杆，所述下杆上铰接有上杆，所述上杆上设置有球铰外壳，末端执行器上设有不同间距的小孔用来横向固定脚，与拉伸弹簧相连的拉伸板可对脚纵向固定。
进一步，所述丝杠抱闸机构设置有由侧挡板和后挡板组成的矩形框架，所述侧挡板和后挡板通过内直角连接板和螺栓固定连接；所述矩形框架内设置有驱动丝杠，所述驱动丝杠一端设置有底部手轮；所述侧挡板外侧设置有滑轨，所述滑轨上通过滑块设置有侧竖板，所述侧竖板上侧设置有底部上板，所述底部上板两侧设置有V形导轨，所述V形导轨两端设置有限位器，所述底部上板上侧中部设置有齿条。
进一步，所述球铰外壳由螺栓连接的球铰上部和球铰下部两部分组成，所述球铰外壳内设置有滚珠及保持架和中轴；所述球铰上部通过螺栓与末端执行器固连，所述末端执行器上焊接有固定板，所述固定板一侧通过弹簧设置有活动板。
进一步，所述底座箱体上侧通过螺栓固定有顶盖，所述箱体内设置有传动轴，所述传动轴一端通过轴肩定位，另一端通过轴用弹性挡圈进行轴向定位；所述传动轴两端与箱体之间分别设置有第一轴承和第二轴承；所述传动轴上设置有第一套筒、第二套筒和第三套筒，所述第一套筒与第二套筒之间设置有大齿轮，所述第二套筒和第三套筒之间设置有所述下杆；所述大齿轮下侧设置有交错轴小齿轮，所述交错轴小齿轮内通过键固定有交错传动轴；
所述下杆上端通过锁紧螺母转动设置有上杆，所述上杆与下杆之间设置有深沟球轴承、轴套、端盖。
进一步，所述剪叉式升降机构的上交叉臂和下交叉臂中部通过交叉中轴转动连接，所述上交叉臂上端通过铰链轴设置有铰链座，所述铰链座上侧设置有上层板；所述上层板上设置有顶部滑槽；所述下交叉臂下侧设置有底部滑槽，所述底部滑槽一侧设置有伸出板，所述底部滑槽与中部底板通过内六角螺钉连接；伸出板与中部底板通过螺栓连接；伸出板上设置有手轮轴，手轮轴通过圆柱销连接有中部手轮；第四轴承对手轮轴形成转动支承，第四套筒对第四轴承内圈定位，加强座与伸出板联合对第四轴承外圈定位。加强座外部呈均匀分布的加强筋。
进一步，所述上层板与箱体通过螺栓连接，顶部滑槽与箱体通过螺钉连接；自锁挡杆与自锁推板通过圆锥销连接，上部手轮与空间圆柱凸轮通过销连接；空间圆柱凸轮一端用轴承座轴肩定位和第三轴承支承，另一端用挡圈轴向定位。
进一步，所述交错传动轴上的齿轮、第五轴承、第六轴承通过第二轴用弹性挡圈、第五套筒、第六套筒、轴肩定位；交错传动轴和电机轴与联轴器通过键连接。
进一步，所述丝杠上设置以后丝杠自锁，所述丝杠自锁设置有螺杆、自锁手轮、自锁座。
本发明的另一目的在于提供一种康复训练控制终端，所述康复训练控制终端搭载所述的六自由度脚踝康复辅助训练系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明可调性强：训练装置可升降，根据座椅和患者身长可调节垂直高度；训练装置可平动伸缩使患者躺平，减少长时间坐立产生的疲劳，即躺坐均可训练；脚固定机构可根据脚大小调适，增加装置的不同年龄阶段患者使用范围，具有普适性。本发明舒适性好：设计符合人机工程学，提高了患者康复舒适度。本发明安全性高：精度高，保证控制精确无误，不能导致二次伤害。本发明经济性好：结构简单；无需到医院治疗，在家即可操作，亦可通过相关控制实现远程操作，有效节省了医患双方的时间成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的六自由度脚踝康复辅助训练系统的结构示意图一。
图2是本发明实施例提供的六自由度脚踝康复辅助训练系统的结构示意图二。
图3是本发明实施例提供的底座箱体结构示意图。
图4是本发明实施例提供的剪叉式升降机构结构示意图。
图5是本发明实施例提供的剪叉式升降机构结构示意图。
图6是本发明实施例提供的自锁手轮结构示意图。
图7是本发明实施例提供的底部手轮结构示意图。
图8是本发明实施例提供的球铰中轴的结构示意图。
图9是本发明实施例提供的六自由度脚踝康复辅助训练系统的示意图三；
图10是本发明实施例提供的六自由度脚踝康复辅助训练系统的示意图四；
图11是本发明实施例提供的装置底部俯视剖面图。
图中：1、底部手轮；2、丝杠；3、滑轨；4、限位器；5、齿条；6、侧竖板；7、底部上板；8、V形导轨；9、侧挡板；10、内直角连接板；11、后挡板；12、外直角连接板；13、中部齿轮；14、球铰上部；15、球铰下部；16、上杆；17、下杆；18、拉伸弹簧；19、固定板；20、活动板；21、末端执行器；22、深沟球轴承；23、轴套；24、锁紧螺母；25、端盖；26、顶盖；27、箱体；28、第一套筒；29、转动轴；30、第一轴用弹性挡圈；31、第一轴承；32、传动轴；33、交错轴小齿轮；34、交错轴大齿轮；35、第二套筒；36、第三套筒；37、第二轴承；38、上层板；39、顶部滑槽；40、自锁挡杆；41、上部手轮；42、第三轴承；43、空间圆柱凸轮；44、圆锥销；45、自锁推板；46、下交叉臂；47、上交叉臂；48、轴承座；49、铰链座；50、底部滑槽；51、V形滑块；52、伸出板；53、第四套筒；54、手轮轴；55、第四轴承；56、加强座；57、圆柱销；58、中部手轮；59、第二轴用弹性挡圈；60、第五轴承；61、第五套筒；62、第六套筒；63、第六轴承；64、联轴器；65、电机轴；66、铰链轴；67、交叉中轴；68、底部铰链轴；69、螺杆；70、自锁手轮；71、自锁座；72、丝杠座；73、螺母；74、球铰中轴；75、钢球保持架；76、钢球；77、螺栓组；78、丝杠螺母座；79、中部底板；80、交叉臂中轴。
图12是本发明实施例提供的通过逆解与约束条件求得末端执行器可实现的角度转动范围示意图。
图13是本发明实施例提供的末端执行器向下施加1000N的载荷，得到应力云图、位移变化图、应变示意图。
图14是本发明实施例提供的模态分析(频率分析)示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种六自由度脚踝康复辅助训练系统、方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1、图9和图10、图11所示，本发明实施例的六自由度脚踝康复辅助训练系统由3RRS并联转台和三轴移动平台组成。三轴移动的底部采用螺旋传动——滚珠丝杠螺母副，可左右横向移动，以同时适用左右脚；中部采用齿轮传动——齿轮齿条副，可前后纵向移动，当座椅调平时，可伸展，可躺平训练，避免坐立产生的疲劳；上部采用剪叉式平行升降机构，可竖直升降移动，根据身高调整，替代座椅调整。底部手轮1驱动丝杠2。滑轨3和侧挡板9通过螺栓连接，侧挡板9和后挡板11通过内直角连接板10用螺栓固定。侧竖板6与滑轨3上的滑块通过螺栓连接，底部上板7与侧竖板6用外直角连接板12连接。限位器4和齿条5通过螺栓连接与底部上板7固定，V形导轨8通过螺钉固定在底部上板7。中部齿轮13与齿条5配合运动。底部手轮1通过人力输入转动使丝杠2旋转，输出为丝杠螺母座78和底部上板7一起平动，实现左右横向移动，用于同时适用左右脚。
如图2所示，本发明实施例的球铰外壳由螺栓连接的球铰上部14和球铰下部15两部分组成，其内部有滚珠及保持架和中轴。球铰上部14通过螺栓与末端执行器21固连。上杆16和下杆17是转动关节连接。固定板19焊接在末端执行器21上，活动板20可通过拉伸弹簧18根据患者脚大小调整。球铰上部14和球铰下部15通过一凸一凹台阶咬合有利于限位配合。
如图3所示，本发明实施例的上杆16轴肩和轴套23使深沟球轴承22内圈定位，下杆17内孔台阶和端盖25使轴承外圈定位，锁紧螺母24使上下杆连接处轴向定位。顶盖26与箱体27通过内六角螺钉连接。下杆17和交错轴斜齿轮大齿轮34均通过键连接和轴套定位与转动轴29固连。交错轴小齿轮33与传动轴32通过键连接。转动轴29将交错轴齿轮的动力传递给下杆17，其一端通过轴肩定位，另一端通过轴用弹性挡圈30进行轴向定位，第一轴承31和第二轴承37对转动轴29转动支承。第一套筒28、第二套筒35和第三套筒36对大齿轮34和下杆17轴向定位。上层板38与箱体27通过螺栓连接，顶部滑槽39与箱体27通过螺钉连接。自锁挡杆40与自锁推板45通过圆锥销44连接，上部手轮41与空间圆柱凸轮43通过销连接。空间圆柱凸轮43一端用轴承座48轴肩定位和第三轴承42支承，另一端用挡圈轴向定位。上部手轮41转动空间圆柱凸轮43旋转，从而带动交叉臂中轴80的滚柱在空间圆柱凸轮43轨道内滑动，以此驱使下交叉臂46底部移动，同时使上层板38竖直升降运动到合适位置时，自锁挡杆40可跟进与底部滑槽50螺纹连接形成自锁。实现了竖直升降移动，改善座椅不能调整的缺陷。球面3RRS转台三条支链中的转动轴29和上杆16下部转轴的轴线相交于一点(即球心)。电机驱动交错轴小齿轮33转动，从而与交错轴大齿轮34咬合一起转动，交错轴大齿轮34带动转动轴29旋转，同时下杆17跟随转动。三条支链联合驱动末端执行器。
如图1、图4所示，本发明实施例的铰链座49与上层板38、底部滑槽50与中部底板79通过内六角螺钉连接。伸出板52与中部底板79通过螺栓连接。中部底板79与V形滑块51通过螺钉连接。V形滑块51与V形导轨8组成双导轨四滑块系统。中部齿轮13与手轮轴54通过键连接。第四轴承55对手轮轴54形成转动支承，第四套筒53对第四轴承55内圈定位，加强座56与伸出板52联合对第四轴承55外圈定位。中部手轮58与手轮轴54通过圆柱销57连接。人力转动中部手轮58驱动中部齿轮13旋转，中部齿轮13与齿条5啮合在双导轨四滑块结构上滑动驱使中部底板79移动，实现前后纵向移动，可选择伸展训练，避免长时间坐立产生得疲劳。如图11所示，球铰中轴74与上杆16通过螺纹连接，尤其是上杆16的台阶起到了限位作用，便于装配。钢球76在钢球保持架75和球铰中轴74球面轨道作用下纯滚动，球铰上部14和下部15通过螺栓组77连接。
如图5所示，本发明实施例的传动轴32上的齿轮、第五轴承60、第六轴承63通过第二轴用弹性挡圈59、第五套筒61、第六套筒62、轴肩等定位。传动32和电机轴65与联轴器64通过键连接。铰链轴66将铰链座49与上交叉臂47连接。交叉中轴67将左右的上下交叉臂连接。底部铰链轴68将下交叉臂46与底部滑槽50连接。
如图6-图7所示，本发明实施例的螺杆69、自锁手轮70、自锁座71组成丝杠2自锁。
(1)自由度分析：根据Chebychev-Grübler-Kutzbach公式和螺旋理论分别对球面3RRS并联转台定性定量分析得出其具有3个转动自由度。
(2)转台工作空间分析：通过逆解与约束条件求得末端执行器可实现的角度转动范围如图12所示。结果显示，球面3RRS转台可转动范围均涵盖踝关节所需转动角度。
(3)承载能力分析(静应力分析)：末端执行器向下施加1000N的载荷，得到应力云图、位移变化图、应变，如图13所示。应力云图最大应力为3.029×109N/m2＜屈服力3.55×109N/m2，故校核合格，可以承受100Kg的载荷。
(4)如图14所示，模态分析(频率分析)：模态分析为承受动态载荷结构优化设计提供了方法。
(5)具体实施例及工作原理：底部三轴移动平台，手动调整各轴平动行程，实现三个平动自由度；球面3RRS并联转台，通过三个电机驱动，实现三个转动自由度。
三轴移动模型底部采用螺旋传动，将人力输入的旋转运动输出为直线运动，并设有由自锁座、螺杆、自锁手轮组成的丝杠抱闸机构；中部采用齿轮齿条传动，为节省空间设有伸出板可供齿轮齿条输入运动；上部采用剪叉式升降机构，手轮输入的力矩传递给空间圆柱凸轮，空间圆柱凸轮驱动剪叉臂滑动以撑起上板的升降运动。这三个平移机构不常用，只起到3RRS转台三个移动方向上的调节作用。
3RRS并联转台由底座箱体内的交错轴斜齿轮传递动力，每条支链的上下杆中间有转动关节，末端执行器与上杆由球铰连接，球铰分为上下两部分。同时，对于脚踝固定在末端执行器上设有不同间距的小孔用来横向固定脚，与拉伸弹簧相连的拉伸板可对脚纵向固定。
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；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种六自由度脚踝康复辅助训练系统，其特征在于，所述六自由度脚踝康复辅助训练系统设置有：
三轴移动平台；
所述三轴移动平台上侧通过螺栓固定有球面3RRS并联转台；
所述三轴移动平台底部设置有丝杠抱闸机构，所述丝杠抱闸机构上侧设置有齿轮齿条传动机构，所述齿轮齿条传动机构上侧设置有剪叉式升降机构；
所述3RRS并联转台设置有底座箱体，所述底座箱体上铰接有下杆，所述下杆上铰接有上杆，所述上杆上设置有球铰外壳，末端执行器上设有不同间距的小孔用来横向固定脚，与拉伸弹簧相连的拉伸板可对脚纵向固定；
所述丝杠抱闸机构设置有由侧挡板和后挡板组成的矩形框架，所述侧挡板和后挡板通过内直角连接板和螺栓固定连接；所述矩形框架内设置有驱动丝杠，所述驱动丝杠一端设置有底部手轮；所述侧挡板外侧设置有滑轨，所述滑轨上通过滑块设置有侧竖板，所述侧竖板上侧设置有底部上板，所述底部上板两侧设置有V形导轨，所述V形导轨两端设置有限位器，所述底部上板上侧中部设置有齿条；
所述球铰外壳由螺栓连接的球铰上部和球铰下部两部分组成，所述球铰外壳内设置有滚珠及保持架和中轴；所述球铰上部通过螺栓与末端执行器固连，所述末端执行器上焊接有固定板，所述固定板一侧通过弹簧设置有活动板；
所述底座箱体上侧通过螺栓固定有顶盖，所述箱体内设置有传动轴，所述传动轴一端通过轴肩定位，另一端通过轴用弹性挡圈进行轴向定位；所述传动轴两端与箱体之间分别设置有第一轴承和第二轴承；所述传动轴上设置有第一套筒、第二套筒和第三套筒，所述第一套筒与第二套筒之间设置有大齿轮，所述第二套筒和第三套筒之间设置有所述下杆；所述大齿轮下侧设置有交错轴小齿轮，所述交错轴小齿轮内通过键固定有交错传动轴；
所述下杆上端通过锁紧螺母转动设置有上杆，所述上杆与下杆之间设置有深沟球轴承、轴套、端盖；
所述剪叉式升降机构的上交叉臂和下交叉臂中部通过交叉中轴转动连接，所述上交叉臂上端通过铰链轴设置有铰链座，所述铰链座上侧设置有上层板；所述上层板上设置有顶部滑槽；所述下交叉臂下侧设置有底部滑槽，所述底部滑槽一侧设置有伸出板，所述底部滑槽与中部底板通过内六角螺钉连接；伸出板与中部底板通过螺栓连接；伸出板上设置有手轮轴，手轮轴通过圆柱销连接有中部手轮；第四轴承对手轮轴形成转动支承，第四套筒对第四轴承内圈定位，加强座与伸出板联合对第四轴承外圈定位；
所述上层板与底部箱体通过螺栓连接，顶部滑槽与上层板通过螺钉连接；自锁挡杆与自锁推板通过圆锥销连接，上部手轮与空间圆柱凸轮通过销连接；空间圆柱凸轮一端用轴承座轴肩定位和第三轴承支承，另一端用挡圈轴向定位；
所述交错传动轴上的齿轮、第五轴承、第六轴承通过第二轴用弹性挡圈、第五套筒、第六套筒、轴肩定位；交错传动轴和电机轴与联轴器通过键连接；
所述丝杠上设置以后丝杠自锁，所述丝杠自锁机构设置有螺杆、自锁手轮、自锁座。
2.一种康复训练控制终端，其特征在于，所述康复训练控制终端搭载权利要求1所述的六自由度脚踝康复辅助训练系统。
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