CN113855483B - 摆幅可调的便携脚踝康复机器人 - Google Patents

摆幅可调的便携脚踝康复机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种摆幅可调的便携脚踝康复机器人,包括设在底座上的电机、转轴、曲柄、踏板,电机固定安装在底座上,电机的输出轴经联轴器连转轴的一端,转轴的另一端与曲柄一端连接固定,转轴经轴承座安装在底座上,曲柄的另一端经前球副连接踏板前端,踏板前端后端连接有后球副,后球副的轴部经后支撑板安装在底座上,前球副、后球副的球头部均安装在踏板上,曲柄上设有用于安装前球副的安装条孔,后支撑板能相对底座沿转轴轴向移动,移动到位后,后支撑板经螺栓锁固在底座上,本发明在满足康复效果的前提下实现了机构的简化,可调摆幅、操作简单、经济成本低、易于携带与组装,可以根据需要调整运动摆幅的大小,方便不同人群使用。

Description

摆幅可调的便携脚踝康复机器人
技术领域
本发明涉及一种摆幅可调的便携脚踝康复机器人。
背景技术
近几年来提出的基于平台的脚踝康复机器人多是并联结构,这是由于并联机构具有高刚度、平衡的力分布、对人体踝关节更好的适应以及对运动的良好控制等特性,其与脚踝康复机器人的康复特性高度有关,且该结构能够有效避免踝关节僵硬,改善患者的关节活动度和踝关节本体感觉。然而,在各种各样基于平台的脚踝康复机器人中,实际上只有小部分实现了商业化,大多数仍处于模型或者试验阶段。主要有以下原因:(1)脚踝康复机器人控制程序复杂,且需要能调节不同的跖、背屈角度以满足处于不同康复期、不同受伤程度的患者,不易于治疗师和患者使用,特别是当患者为老年人时,操作问题很可能就变成了使用障碍;(2) 大部分已有的脚踝康复机器人在设计之初未考虑商业化,导致其机动性、精度和反应时间受到设备形状、重量和尺寸的负面影响,经济成本高、便携性差;(3)多数脚踝康复机器人较为精密,不适合频繁拆装,需要专家进行管理,并且通常只供临床使用,不利于普及。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处,提供了一种摆幅可调的便携脚踝康复机器人。
本发明解决技术问题所采用的方案是,一种摆幅可调的便携脚踝康复机器人,包括底座、依次设置在底座上的电机、转轴、曲柄、踏板,所述电机固定安装在底座上,电机的输出轴经联轴器连转轴的一端,转轴的另一端与曲柄一端连接固定,转轴经轴承座安装在底座上,曲柄的另一端经前球副连接踏板前端,踏板前端后端连接有后球副,后球副的轴部经后支撑板安装在底座上,前球副、后球副的球头部均安装在踏板上,所述曲柄上沿其长度方向设置有用于安装前球副的安装条孔,后支撑板能相对底座沿转轴轴向移动,移动到位后,后支撑板经螺栓锁固在底座上。
进一步的,所述踏板上预留有安装脚踝固定带的扁平长孔,扁平长孔前后间隔设置两组,每组包括对应设置在踏板左右两侧的两个扁平长孔。
进一步的,所述转轴为阶梯轴,其包括沿轴向同轴心依次设置且直径依次递增的轴部A、轴部B、轴部C、法兰,所述法兰外端中部设有与曲柄经插接的插柱,曲柄上设置有容纳插柱的定位孔,法兰经螺栓与曲柄锁固。
进一步的,所述轴承座包括固定安装在底座上的前支撑板,前支撑板上端开设有供转轴、穿设的轴孔,轴孔内设置有两个背对背设置的角接触球轴承,角接触球轴承套设在轴部B上,轴孔前端安装有轴承端盖,轴承端盖通过螺钉固定在前支承板上。
进一步的,所述电机经电机支承板安装在底座上。
进一步的,所述电机为调速电机。
进一步的,所述联轴器为挠性联轴器。
进一步的,所述后支撑板下端左右两侧设有螺栓孔,底座上沿转轴轴向设有与螺栓孔配合的条孔,螺栓穿设螺栓孔、条孔后经螺母锁固。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:在满足康复效果的前提下实现了机构的简化,可调摆幅、操作简单、经济成本低、易于携带与组装,采用曲柄连接球副再连接踏板的方式实现人体踝关节的跖、背屈与内、外翻,可以根据需要调整运动摆幅的大小,方便不同人群使用,对于后期推行商业化具有较大的意义。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1是本脚踝康复机器人的结构示意图一。
图2是本脚踝康复机器人的结构示意图二。
图3是曲柄的结构示意图。
图4是阶梯轴的示意图。
图5是前端支承局部细节图。
图6是本脚踝康复机器人的机械原理简图。
图7是本脚踝康复机器人的转动轨迹示意图。
图中:1-电机;2-电机支承板;3-联轴器;4-轴承端盖;5-轴承座;6-转轴;601-轴部A;602-轴部B;603-轴部C;604-法兰;605-插柱;7-曲柄;8-前球副;9-踏板;10-底座;11-后球副;12-后支撑板;13-条孔;14-安装条孔;15-前支撑板;16-角接触球轴承。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明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发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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,都属于本发明保护的范围。
如图1-5所示,一种摆幅可调的便携脚踝康复机器人,包括底座10、依次设置在底座上的电机1、转轴6、曲柄7、踏板9,所述电机固定安装在底座上,电机的输出轴经联轴器3连转轴的一端,转轴的另一端与曲柄一端连接固定,转轴经轴承座5安装在底座上,曲柄的另一端经前球副8连接踏板前端,踏板前端后端连接有后球副11,后球副的轴部经后支撑板12安装在底座上,前球副、后球副的球头部均安装在踏板上,所述曲柄上沿其长度方向设置有用于安装前球副的安装条孔14,后支撑板能相对底座沿转轴轴向移动,移动到位后,后支撑板经螺栓锁固在底座上;
曲柄是该脚踝康复机器人的核心部件,人体踝关节的跖、背屈与内、外翻都是通过其转动完成,且通过改变曲柄与前球副的连接位置并调整后支承板相对底板的位置就可以改变踝关节跖、背屈与内、外翻的最大角度,从而以适应不同康复周期的病人,该结构采用中心带孔的曲柄连接球副再连接踏板的方式实现人体踝关节的跖、背屈与内、外翻,其转动锥度在范围最大为(-18°~+18°)。
进行康复训练时,患者需先将需要康复的脚置于踏板上方固定住,然后将电机通过导线接通外部电源,就可实现踏板带动脚部进行康复训练。当患者进行第一次康复训练时,可将本发明的转动角度调整到最小,然后根据所需慢慢增大摆幅角度,以避免对脚踝造成二次伤害,也可以调节电机的转动速度来实现不同的转动频率,以满足患者需要。同时,对于年老、走动困难的老年人来说,该脚踝康复机器人对其是一种不错的锻炼方式。
在本实施例中,踏板是根据人脚的尺寸参数来确定其长度与宽度尺寸的,所述踏板上预留有安装脚踝固定带的扁平长孔,扁平长孔前后间隔设置两组,每组包括对应设置在踏板左右两侧的两个扁平长孔,并且踏板下端前后侧均设置有带孔的凸台,分别用于连接与前球副和后球副,前球副和后球副都通过其一端自带的外螺纹通过螺母与踏板固定,前球副和后球副另一端是内螺纹孔,前球副通过螺栓固定在曲柄上;后球副通过相同的方法固定在后支承板上,考虑到螺栓连接可能会出现松动的情况,分别在紧固时加上锁紧垫圈。
在本实施例中,所述转轴为阶梯轴,起传递速度与力矩并固定曲柄的作用,其包括沿轴向同轴心依次设置且直径依次递增的轴部A601、轴部B602、轴部C603、法兰604,所述法兰外端中部设有与曲柄经插接的插柱605,曲柄上设置有容纳插柱的定位孔,法兰经螺栓与曲柄锁固,曲柄通过螺栓、螺母和锁紧垫圈紧固在阶梯轴上,以防止其在周期性的循环中发生松动、脱落等事故。
在本实施例中,所述轴承座包括固定安装在底座上的前支撑板15,前支承板通过螺栓螺纹连接固定在底板上,前支撑板上端开设有供转轴、穿设的轴孔,轴孔内设置有两个背对背设置的角接触球轴承16,角接触球轴承背对背连接的目的是增大阶梯轴的刚度与轴向载荷承载能力,角接触球轴承套设在轴部B上,轴孔前端安装有轴承端盖4,轴承端盖通过螺钉固定在前支承板上,用于对角接触球轴承轴向固定且留有一定的轴向游隙,防止轴承受热膨胀而卡死。
在本实施例中,所述电机经电机支承板2安装在底座上,电机支承板通过螺栓螺母连接固定在底板上,再通过螺栓螺母固定电机,从而达到电机相对于底板位置固定的目的。
在本实施例中,所述电机为调速电机。
在本实施例中,考虑到电机与转轴在工作过程中无法严格对中,需要角度位移补偿,联轴器采用挠性联轴器。
在本实施例中,所述后支撑板下端左右两侧设有螺栓孔,底座上沿转轴轴向设有与螺栓孔配合的条孔13,螺栓穿设螺栓孔、条孔后经螺母锁固。
本发明的结构简图如图6所示:结构可以简单描述为RTS/ST结构,其中R表示曲柄的转动副;S表示分别用于连接曲柄与踏板、踏板与后支承板的两个球副;T表示前支承板曲柄与后支承板沿底板前后平移的移动副。
在曲柄起点处建立定坐标系,点位于曲柄起点处,其中:/>轴与中心线重合,/>轴垂直向上,/>轴可用右手定则判断;曲柄的长度为/>,这个长度可随移动副/>的改变而改变,最大值为100mm;球关节的长度/>为50mm;脚踏板/>的长度/>为300mm;移动副/>同样跟随着移动副/>改变。
令脚踏板中点的在空间中的位置为/>,则/>与移动副/>的位置/>以及转动副/>的转动角度/>关系为:
脚踏板中点跟随曲柄转动的轨迹如图7所示:当进行康复训练时,电极带动踏板做近似圆锥运动。
本发明能够通过调整曲柄与前球副的连接位置以及调整后支承板相对于底板的位置来调节人体踝关节跖、背屈的角度以适应踝关节受伤程度不同以及不同康复周期的病人,能有效避免在康复过程中出现二次脚踝受伤。
本发明除去螺栓、螺母、电机、挠性联轴器等标准件后仅有十个非标件,极大地简化了机构的复杂度,在减少成本、方便携带及控制装配时间上有较大优势,且能实现踝关节康复时对跖、背屈及内、外翻的角度要求,在经济实用等方面具有重大意义。
本发明除电机外均为机械构件,没有复杂的操作系统,理疗师和老人能够轻松的掌握以及使用,这也是本产品的一大优点。此外,本发明经模型模拟验证,其转动空间包括了正常人脚踝的运动空间,即满足了患者的康复要求。
本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件,那么,除另有声明外,固定连接可以理解为:能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接),也可以理解为:不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接),当然,互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
在本专利的描述中,需要理解的是,术语“纵向”、“横向”、“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专利,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专利的限制。
上列较佳实施例,对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种摆幅可调的便携脚踝康复机器人,其特征在于:包括底座、依次设置在底座上的电机、转轴、曲柄、踏板,所述电机固定安装在底座上,电机的输出轴经联轴器连转轴的一端,转轴的另一端与曲柄一端连接固定,转轴经轴承座安装在底座上,曲柄的另一端经前球副连接踏板前端,踏板前端后端连接有后球副,后球副的轴部经后支撑板安装在底座上,前球副、后球副的球头部均安装在踏板上,所述曲柄上沿其长度方向设置有用于安装前球副的安装条孔,后支撑板能相对底座沿转轴轴向移动,移动到位后,后支撑板经螺栓锁固在底座上。
2.根据权利要求1所述的摆幅可调的便携脚踝康复机器人,其特征在于:所述踏板上预留有安装脚踝固定带的扁平长孔,扁平长孔前后间隔设置两组,每组包括对应设置在踏板左右两侧的两个扁平长孔。
3.根据权利要求1所述的摆幅可调的便携脚踝康复机器人,其特征在于:所述转轴为阶梯轴,其包括沿轴向同轴心依次设置且直径依次递增的轴部A、轴部B、轴部C、法兰,所述法兰外端中部设有与曲柄经插接的插柱,曲柄上设置有容纳插柱的定位孔,法兰经螺栓与曲柄锁固。
4.根据权利要求3所述的摆幅可调的便携脚踝康复机器人,其特征在于:所述轴承座包括固定安装在底座上的前支撑板,前支撑板上端开设有供转轴、穿设的轴孔,轴孔内设置有两个背对背设置的角接触球轴承,角接触球轴承套设在轴部B上,轴孔前端安装有轴承端盖,轴承端盖通过螺钉固定在前支承板上。
5.根据权利要求1所述的摆幅可调的便携脚踝康复机器人,其特征在于:所述电机经电机支承板安装在底座上。
6.根据权利要求1所述的摆幅可调的便携脚踝康复机器人,其特征在于:所述电机为调速电机。
7.根据权利要求1所述的摆幅可调的便携脚踝康复机器人,其特征在于:所述联轴器为挠性联轴器。
8.根据权利要求1所述的摆幅可调的便携脚踝康复机器人,其特征在于:所述后支撑板下端左右两侧设有螺栓孔,底座上沿转轴轴向设有与螺栓孔配合的条孔,螺栓穿设螺栓孔、条孔后经螺母锁固。
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