CN113545960A - 一种基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，涉及人体运动康复技术领域。不仅体积较小便于携带，而且脚踝驱动结构可以始终与人体关节转动中心重合，避免对患者造成二次伤害。该脚踝康复执行器包括腿部支撑件、足部支撑件、底板构件和两组脚踝驱动组件；腿部支撑件的下端与足部支撑件的上端铰接，两组脚踝驱动组件的上端分别连接在腿部支撑件的左右两侧，两组脚踝驱动组件的下端分别连接在底板构件的左右两侧；底板构件能够带动足部支撑件摆动；脚踝驱动组件包括直线电机和弹簧片，直线电机的上端与腿部支撑件连接，其下端与弹簧片的上端铰接；弹簧片的下端通过合页构件与底板构件连接。本申请用于提升脚踝康复执行器的性能。

Description

一种基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器

技术领域

本申请涉及人体运动康复技术领域，尤其涉及一种基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器。

背景技术

脚踝是人体最为重要的关节之一，脑卒中会导致患者出现脚踝运动功能障碍，严重影响日常生活。脑卒中患者的中枢神经系统一般受到过损伤，相关研究表明，中枢神经系统具有高度可塑性，进行相应的康复训练可加快中枢神经系统的恢复。例如，CPM(连续被动运动，Continuous passive motion)可以防止关节僵化，提升关节活动度。但是由于当前康复训练主要由康复医师与患者进行一对一的康复治疗，因此，存在以下缺点：1、成本较高；2、康复效果受到康复医师水平的影响，同时缺乏客观的训练数据，康复效果难以量化。因此，脚踝康复机器人越来越多的被应用到康复训练中以代替康复医师进行康复训练。

但是，现有的脚踝康复机器人存在以下问题：2、一般为刚性连杆机构，其转动中心与患者肢体转动中心难以重合，可能对患者造成二次伤害；2、体积、重量较为庞大，不方便携带，影响患者体验；2、刚性连杆机构的数量较多，操作控制较为复杂。

发明内容

本申请的实施例提供一种基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，在能够满足脚踝跖屈、背屈、内翻、外翻运动范围的要求的前提下，不仅体积较小便于携带，而且脚踝驱动结构可以始终与人体关节转动中心重合，避免对患者造成二次伤害。

为达到上述目的，本申请的实施例提供了一种基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，包括腿部支撑件、足部支撑件、底板构件和两组脚踝驱动组件；所述腿部支撑件的下端与所述足部支撑件的上端铰接，且所述腿部支撑件与所述足部支撑件之间形成用于容置患者小腿和足部的容置腔；两组所述脚踝驱动组件的上端分别连接在所述腿部支撑件的左右两侧，两组所述脚踝驱动组件的下端分别连接在所述底板构件的左右两侧；所述底板构件能够带动所述足部支撑件摆动；所述脚踝驱动组件包括直线电机和弹簧片，所述直线电机的上端与所述腿部支撑件连接，其下端与所述弹簧片的上端铰接；所述弹簧片的下端通过合页构件与所述底板构件连接。

进一步地，所述容置腔的内壁上设有复合透气垫层。

进一步地，所述腿部支撑件包括腿部后侧板和分别连接在所述腿部后侧板两侧的腿部左侧板和腿部右侧板；所述足部支撑件包括足部底板和设置在所述足部底板上的足部后侧板、足部左侧板和足部右侧板；所述足部左侧板和所述足部右侧板分别连接在所述足部后侧板的两侧；所述腿部左侧板与所述足部左侧板铰接；所述腿部右侧板与所述足部右侧板铰接；所述足部底板与所述底板构件连接；所述腿部支撑件和所述足部支撑件均采用高强度热塑性塑料制成。

进一步地，所述腿部左侧板和所述腿部右侧板上均设有用于穿过绑带通孔。

进一步地，所述腿部左侧板与所述足部左侧板通过第一足踝角度调节件铰接；所述第一足踝角度调节件包括矩形板和设置在所述矩形板上的第一转轴，所述矩形板的下端与所述足部左侧板的上端固连；所述矩形板的上端通过第一转轴与所述腿部左侧板的下端连接；所述腿部右侧板与所述足部右侧板的上端通过第二足踝角度调节件铰接；所述第二足踝角度调节件的结构与所述第一足踝角度调节件的结构相同。

进一步地，所述直线电机的上端通过电机支架与所述腿部支撑件连接，所述电机支架包括上下贯通的框架、第一连接耳和连接臂；所述第一连接耳设置在所述框架的顶面上，所述连接臂垂直设置在所述框架的外侧面上，且沿水平方向延伸；所述直线电机的上端穿过所述框架后与所述第一连接耳连接；所述连接臂与所述腿部左侧板或所述腿部右侧板连接。

进一步地，所述腿部左侧板和所述腿部右侧板上均设有多个成矩形阵列分布的第一连接孔，所述连接臂可拆卸地连接在所述第一连接孔内。

进一步地，所述直线电机与所述弹簧片通过轴承座连接；所述轴承座包括连接套和设置在所述连接套下方的第二连接耳，所述连接套与所述直线电机的下端固连，所述第二连接耳内设有轴承，所述弹簧片的上端设有第二转轴，所述第二连接耳与所述第二转轴通过所述轴承转动连接。

进一步地，所述弹簧片的下端设有第三转轴，所述合页构件包括第三连接耳、设置在所述第三连接耳底部的第一连接管、设置在所述底板构件上的第二连接管和依次穿过所述第一连接管和所述第二连接管的第四转轴；所述第三连接耳与所述弹簧片通过所述第三转轴连接。

进一步地，所述底板构件包括底板和分别设置在所述底板上的两个立板，所述第二连接管位于所述立板的顶面上，所述底板与所述足部底板连接。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

1、本申请脚踝驱动机构中的弹簧片具有一定的柔性，能够有效避免关节转动时转动中心与机构的转动中心不重合的问题，操作安全可靠。

2、本申请只有两组脚踝驱动机构，相比现有技术中至少三组刚性连杆机构的结构，本申请结构简单紧凑、便于携带且操作方便。

3、本申请腿部支撑件和足部支撑件采用高强度热塑性塑料，当其与电机支架连接承载一定推拉力时稳定性较好；另外，本申请腿部支撑件和足部支撑件的内侧设有复合透气衬垫，当本申请与人体贴合时，可以提高患者的舒适感。

4、本申请中的腿部左侧板和腿部右侧板上均设有多个成矩形阵列分布的第一连接孔，连接臂可拆卸地连接在第一连接孔内，使用时，可以根据患者的脚的大小调整连接臂的连接位置，由此，可以适应不同脚的尺寸的患者完成不同运动轨迹的康复训练，适用范围更广。

5、本申请在腿部左侧板和腿部右侧板上均设有用于穿过绑带的通孔，可以根据患者小腿的粗细调整绑带的长度或缠绕圈数以适应不同小腿尺寸的患者，适用范围更广。

6、本申请提供了更多的自由度，可实现脚踝的跖屈、背屈、内翻、外翻，充分对患者踝关节进行连续被动康复训练，有助于患者患侧脚踝更好更全面地康复治疗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本申请实施例基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器的结构示意图；

图2为本申请实施例基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器中底板构件、两组脚踝驱动组件和电机支架的连接结构示意图；

图3为本申请实施例基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器中腿部支撑件和足部支撑件的连接结构示意图1；

图4为本申请实施例基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器中腿部支撑件和足部支撑件的连接结构示意图2；

图5为本申请实施例基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器中电机支架的结构示意图；

图6为本申请实施例基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器中弹簧片的结构示意图；

图7为本申请实施例基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器中轴承座的结构示意图；

图8为本申请实施例基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器中合页组件的结构示意图(去掉第二连接管)；

图9为本申请实施例基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器中底板构件的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，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；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申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1和图2，本申请实施例提供了一种基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，包括腿部支撑件1、足部支撑件2、底板构件4和两组脚踝驱动组件6。两组脚踝驱动组件6的上端分别连接在腿部支撑件1的左右两侧，两组脚踝驱动组件6的下端分别连接在底板构件4的左右两侧。底板构件4能够带动足部支撑件2摆动。脚踝驱动组件6包括直线电机61和弹簧片62，直线电机61的上端与腿部支撑件1连接，其下端与弹簧片62的上端铰接。弹簧片62的下端通过合页构件与底板构件4连接。其中弹簧片62不可伸长，只可弯曲。

参照图3和图4，腿部支撑件1的下端与足部支撑件2的上端铰接，且腿部支撑件1与足部支撑件2之间形成用于容置患者小腿和足部的容置腔8。具体的，腿部支撑件1包括腿部后侧板11和分别连接在腿部后侧板11两侧的腿部左侧板12和腿部右侧板13。足部支撑件2包括足部底板21和设置在足部底板21上的足部后侧板22、足部左侧板23和足部右侧板24。足部左侧板23和足部右侧板24分别连接在足部后侧板22的两侧。

继续参照图4，具体的，腿部左侧板12与足部左侧板23通过第一足踝角度调节件3铰接。第一足踝角度调节件3包括矩形板31和设置在矩形板31上的第一转轴32。矩形板31的下端与足部左侧板23的上端固连，矩形板31的上端通过第一转轴32与腿部左侧板12的下端铰接。参照图3，腿部右侧板13与足部右侧板24的上端通过第二足踝角度调节件7铰接。第二足踝角度调节件7的结构与第一足踝角度调节件3的结构相同，此处不再详述。参照图1，足部底板21与底板构件4连接。

由于腿部支撑件1和足部支撑件2均承载一定推拉力，为了使其具有较好的稳定性，腿部支撑件1和足部支撑件2均采用高强度热塑性塑料制成。另外，为了提高患者的舒适感，容置腔8的内壁上设有复合透气垫层9。

继续参照图3和图4，由于患者的个体差异，不同患者的小腿粗细也有一定差异，为了能适应更多的患者，腿部左侧板12和腿部右侧板13上均设有用于穿过绑带的通孔14，绑带从其中一个通孔穿入容置腔8后，绕患者的小腿右前向后缠绕后再从另一个通孔14穿出，由此，只需根据患者小腿的粗细调整绑带的长度或缠绕圈数即可适应不同小腿尺寸的患者，适用范围更广。需要说明的是，通孔14可以是一组也可以是沿竖直方向依次设置的多组，此处不做限制。另外，绑带可以是普通绑带，也可以是魔术贴绑带，此处也不做限制。

继续参照图3和图4，腿部左侧板12和腿部右侧板13上均设有多个成矩形阵列分布的第一连接孔15，连接臂53通过螺栓连接在第一连接孔15内。使用本申请时，可以根据患者的脚的大小调整连接臂53的连接位置，由此，可以适应不同脚的尺寸的患者完成不同运动轨迹的康复训练，适用范围更广。

另外，为了减轻重量，腿部左侧板12和腿部右侧板13一般较薄，为了增加连接处的强度，在一些实施例中，腿部左侧板12和腿部右侧板13上均设有加强部16，第一连接孔15贯通加强部16，加强部16可以为凸起，也可以为固连在腿部左侧板12和腿部右侧板13上的加强板，此处不做限制。

参照图1和图2，直线电机61的上端通过电机支架5与腿部支撑件1连接。参照图5，电机支架5包括上下贯通的框架51、第一连接耳52和连接臂53。第一连接耳52设置在框架51的顶面上，连接臂53垂直设置在框架51的外侧面上，且沿水平方向延伸。直线电机61的上端穿过框架51后与第一连接耳52连接。连接臂53与腿部左侧板12或腿部右侧板13连接。示例的，参照图5，为了受力更均匀且连接更可靠，第一连接耳52和连接臂53均可以为两个，其中，两个第一连接耳52相对于框架51的中线左右对称设置，两个连接臂53沿竖直方向平行设置。

参照图2，直线电机61与弹簧片62通过轴承座63连接。参照图7，轴承座63包括连接套631和设置在连接套631下方的第二连接耳632，连接套631与直线电机61的下端固连，具体的，连接套631设有安装固定轴的第二连接孔634，第二连接耳632上设有轴承安装孔633，轴承安装孔633内设有轴承(图中未示)。

参照图6，弹簧片62的上端设有第二转轴621，弹簧片62的下端设有第三转轴622。参照图2，第二连接耳632与第二转轴621通过轴承转动连接。

参照图8和图9，合页构件64包括第三连接耳641、设置在第三连接耳641底部的至少一个第一连接管642、设置在底板构件4上的至少一个第二连接管643和依次穿过第一连接管642和第二连接管643的第四转轴(图中未示)。第三连接耳641与弹簧片62的下端通过第三转轴622连接。

参照图9，底板构件4包括底板41和分别设置在底板41上的两个立板42，第二连接管643固连在立板42的顶面上，第二连接管643和第一连接管642通过第四转轴连接，底板41与足部底板21连接。

参照图1和图2，本申请实施例基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器的工作原理如下：

1、脚踝实现向下跖屈运动

两个直线电机61同时进行前进运动，分别推动对应的弹簧片62和合页构件64向下运动，在矢状面产生逆时针扭矩，带动底板构件4和足部支撑件2在矢状面沿逆时针方向旋转，从而使脚踝实现向下跖屈运动。

2、脚踝实现向上背屈运动

两个直线电机61同时进行后退运动，分别拉动对应的弹簧片62和合页构件64向上运动，在矢状面产生顺时针扭矩，带动底板构件4和足部支撑件2在矢状面沿顺时针方向旋转，从而使脚踝实现向上背屈运动。

3、脚踝进行内翻运动

靠近脚踝外侧的直线电机61进行前进运动，推动对应弹簧片62和合页构件64向下运动，并带动底板构件4靠近脚踝外侧的一侧向下运动，同时，靠近脚踝内侧的直线电机61进行后退运动，拉动对应的弹簧片62和合页构件64向上运动，并带动底板构件4靠近脚踝内侧的一侧向上运动，底板构件4受到左、右两侧的弹簧片62共同作用在冠状面产生顺时针扭矩，引起底板构件4向内翻转，带动脚踝进行内翻运动。

4、脚踝进行外翻运动

靠近脚踝外侧的直线电机61进行后退运动，拉动对应弹簧片62和合页构件64向上运动，并带动底板构件4靠近脚踝外侧的一侧向上运动，同时，靠近脚踝内侧的直线电机61进行前进运动，推动对应的弹簧片62和合页构件64向下运动，并带动底板构件4靠近脚踝内侧的一侧向下运动，底板构件4受到左、右两侧的弹簧片62共同作用在冠状面产生逆时针扭矩，引起底板构件4向外翻转，带动脚踝进行外翻运动。

由此，通过控制两个直线电机61运动即可实现脚踝的跖屈、背屈、内翻和外翻运动，且由于弹簧片62不可伸长，只可弯曲，因此，当关节的转动中心与机构的转动中心不重合时，弹簧片62能够自行调整弯曲程度，确保关节的转动中心与机构的转动中心重合，从而使本申请的操作更简单、安全、可靠。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，其特征在于，包括腿部支撑件、足部支撑件、底板构件和两组脚踝驱动组件；

所述腿部支撑件的下端与所述足部支撑件的上端铰接，且所述腿部支撑件与所述足部支撑件之间形成用于容置患者小腿和足部的容置腔；

两组所述脚踝驱动组件的上端分别连接在所述腿部支撑件的左右两侧，两组所述脚踝驱动组件的下端分别连接在所述底板构件的左右两侧；

所述底板构件能够带动所述足部支撑件摆动；

所述脚踝驱动组件包括直线电机和弹簧片，所述直线电机的上端与所述腿部支撑件连接，其下端与所述弹簧片的上端铰接；所述弹簧片的下端通过合页构件与所述底板构件连接。

2.根据权利要求1所述的基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，其特征在于，所述容置腔的内壁上设有复合透气垫层。

3.根据权利要求1所述的基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，其特征在于，

所述腿部支撑件包括腿部后侧板和分别连接在所述腿部后侧板两侧的腿部左侧板和腿部右侧板；

所述足部支撑件包括足部底板和设置在所述足部底板上的足部后侧板、足部左侧板和足部右侧板；所述足部左侧板和所述足部右侧板分别连接在所述足部后侧板的两侧；

所述腿部左侧板与所述足部左侧板铰接；所述腿部右侧板与所述足部右侧板铰接；所述足部底板与所述底板构件连接；

所述腿部支撑件和所述足部支撑件均采用高强度热塑性塑料制成。

4.根据权利要求3所述的基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，其特征在于，所述腿部左侧板和所述腿部右侧板上均设有用于穿过绑带通孔。

5.根据权利要求3所述的基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，其特征在于，

所述腿部左侧板与所述足部左侧板通过第一足踝角度调节件铰接；所述第一足踝角度调节件包括矩形板和设置在所述矩形板上的第一转轴，所述矩形板的下端与所述足部左侧板的上端固连；所述矩形板的上端通过第一转轴与所述腿部左侧板的下端连接；

所述腿部右侧板与所述足部右侧板的上端通过第二足踝角度调节件铰接；所述第二足踝角度调节件的结构与所述第一足踝角度调节件的结构相同。

6.根据权利要求1所述的基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，其特征在于，

所述直线电机的上端通过电机支架与所述腿部支撑件连接，所述电机支架包括上下贯通的框架、第一连接耳和连接臂；所述第一连接耳设置在所述框架的顶面上，所述连接臂垂直设置在所述框架的外侧面上，且沿水平方向延伸；

所述直线电机的上端穿过所述框架后与所述第一连接耳连接；

所述连接臂与所述腿部左侧板或所述腿部右侧板连接。

7.根据权利要求6所述的基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，其特征在于，所述腿部左侧板和所述腿部右侧板上均设有多个成矩形阵列分布的第一连接孔，所述连接臂可拆卸地连接在所述第一连接孔内。

8.根据权利要求6所述的基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，其特征在于，

所述直线电机与所述弹簧片通过轴承座连接；所述轴承座包括连接套和设置在所述连接套下方的第二连接耳，所述连接套与所述直线电机的下端固连，所述第二连接耳内设有轴承，所述弹簧片的上端设有第二转轴，所述第二连接耳与所述第二转轴通过所述轴承转动连接。

9.根据权利要求8所述的基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，其特征在于，

所述弹簧片的下端设有第三转轴，所述合页构件包括第三连接耳、设置在所述第三连接耳底部的第一连接管、设置在所述底板构件上的第二连接管和依次穿过所述第一连接管和所述第二连接管的第四转轴；所述第三连接耳与所述弹簧片通过所述第三转轴连接。

10.根据权利要求9所述的基于弹簧片驱动的柔性外骨骼脚踝康复执行器，其特征在于，所述底板构件包括底板和分别设置在所述底板上的两个立板，所述第二连接管位于所述立板的顶面上，所述底板与所述足部底板连接。

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