CN114652570A - 柔性绳驱动踝关节康复机器人 - Google Patents

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CN114652570A
CN114652570A CN202210267632.9A CN202210267632A CN114652570A CN 114652570 A CN114652570 A CN 114652570A CN 202210267632 A CN202210267632 A CN 202210267632A CN 114652570 A CN114652570 A CN 114652570A
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卢文娟
丛建华
夏艺慈
刘亚
曾达幸
李兴艳
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Dongguan University of Technology
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    • A61H2205/12—Feet

Abstract

本发明提供一种柔性绳驱动踝关节康复机器人，其包括固定机架、动平台、刚性转动轴、柔性弹簧轴、转向滑轮、底座平台和驱动单元，其中刚性转动轴与机架通过立式轴承连接，使得刚性转动轴可以绕定轴转动，柔性弹簧轴通过销轴与刚性转动轴连接，使得柔性弹簧轴与刚性转动轴成为一个整体的情况下仍然可以相对于刚性转动轴有独立的转动行为。使用时，将驱动绳看作类似人体的肌肉牵引，同时驱动绳的布置方式也结合了人体踝关节运动所需的肌肉群。本发明使用时可以通过驱动绳牵引实现其背屈/跖屈以及内翻/外翻的运动状态。本发明结构简单，柔性好，刚性冲击小，更适用于关节受损，承受冲击能力小的患者。

Description

柔性绳驱动踝关节康复机器人
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，具体涉及一种柔性绳驱动踝关节康复机器人。
背景技术
随着社会老龄化的加剧和人民生活水平的提高，由脑卒中、脊髓损伤、脑外伤等原因造成的残障人口迅速增长。近年来，随着人工智能和机器人技术的不断发展，功能康复及辅助训练机器人逐渐成为世界各国临床康复治疗的重要技术手段之一，受到国际社会的高度重视，并得到了日新月异的发展。康复机器人的发展不仅为神经科学和康复医学带来了极大的技术进步和观念变革，而且作为一种高新技术产业已经成为世界经济新的增长点，相关研究得到世界各国的重视，成为技术竞争的重要领域之一。同时，随着全球特别是中国社会老龄化的加剧，对康复辅助机器人的需求也在不断增加，为该领域的发展提供了更广阔的市场空间和难得的发展机遇。
传统的康复训练方法主要是由人工或者借助简单器械带动患肢进行，这类训练方法一般需要多名医护人员辅助，医护人员的体力消耗很大，而且我国专业治疗师非常紧缺，美国康复治疗师数量为70人/10万人，而我国目前仅为0.4人/10万人，因此，很难保证康复训练的强度和持久性。同时，人工康复训练方法容易受治疗师主观因素影响，难以保证训练的客观性、精确性和一致性，限制了康复训练方法的进一步优化和康复效果的提升。尤其是近年来人员成本不断攀升，使得传统训练方法的康复费用不断增加，给患者家庭及社会都带来很大压力。康复机器人正是为了应对传统康复训练方法的不足而产生并发展起来的。
目前，康复机器人技术领域已经取得了一些突破和进展，但这些机器人系统离临床应用还有一定的差距，主要表现在：康复机器人结构的适应性较差，不能根据患者差异进行自适应调整；在康复过程中真正能调动患者训练积极性的康复机器人较少，康复效果较差。所以需要一种具有自适应性，可以对患者康复过程中起到积极促进作用的康复机器人。
发明内容
针对上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种柔性绳驱动踝关节康复机器人，通过结构上的一个刚性转轴和柔性转轴，与踝关节实际运动转轴相吻合。且绳驱动方式对机构的刚性冲击更小，使得此装置实用性与实用性效果更好。
具体地，本发明提供一种柔性绳驱动踝关节康复机器人，其包括固定机架、动平台、刚性转动轴、柔性弹簧轴、转向滑轮、底座平台和多组驱动单元；
所述多组驱动单元以及固定支架均设置在所述底座平台上，所述多组驱动单元两两对称的设置在所述固定支架的两侧，所述固定支架的前侧设置有第一驱动单元和第二驱动单元，所述固定支架的后侧设置有第三驱动单元和第四驱动单元，所述第一驱动单元与第三驱动单元相对设置，第二驱动单元与第四驱动单元相对设置，所述动平台设置在所述固定支架内部，所述刚性转动轴与所述固定机架之间借助于连接件连接并能绕定轴转动，所述柔性弹簧轴与所述刚性转动轴之间进一步转动连接；
所述刚性转动轴包括两个结构相同的带轴杆以及中间连接杆，所述中间连接杆与带轴杆连接并能够同时沿轴线转动，所述刚性转动轴能够拟合人体踝关节背跖屈运动时胫骨与距骨间相对转动的运动轴线；所述柔性弹簧轴包括两组呈三棱锥形布置的弹簧，所述柔性弹簧轴用来拟合人体踝关节做内外翻运动时距下关节所绕旋转的运动轴线，所述柔性弹簧轴的倾斜角度能够借助于限位组件进行调节；
每组驱动单元均连接有一根驱动绳的第一端，驱动绳的第二端经过转向滑轮后与所述动平台连接；在驱动单元、驱动绳以及转向滑轮的共同作用下，动平台能够实现踝关节的背屈/跖屈运动以及内翻/外翻运动，在进行背屈运动时，第一驱动单元和第二驱动单元的驱动绳缩短且第三驱动单元和第四驱动单元的驱动绳放长；在进行跖屈运动时，第三驱动单元和第四驱动单元的驱动绳缩短且第一驱动单元和第二驱动单元的驱动绳放长，进行内翻运动时，第一驱动单元和第三驱动单元的驱动绳缩短且第二驱动单元和第四驱动单元的驱动绳放长，在进行外翻运动时，第二驱动单元和第四驱动单元的驱动绳缩短且第一驱动单元和第三驱动单元的驱动绳放长。
优选地，所述刚性转动轴与所述固定机架之间借助于立式轴承连接。
优选地，驱动单元包括驱动电机、立式轴承座以及卷筒，所述卷筒的两端分别借助于转轴与所述立式轴承座连接，所述驱动电机借助于联轴器与所述卷筒一端的转轴连接，所述驱动绳环绕在卷筒上，所述驱动电机带动卷筒正反转从而控制驱动绳的收放。
优选地，所述刚性转动轴包括两个结构相同的带轴杆以及中间连接杆，所述中间连接杆与带轴杆通过螺栓连接并能够同时沿轴线转动，所述两个带轴杆上分别设置有三组对称布置的斜孔。
优选的，所述柔性弹簧轴包括两组呈三棱锥形布置的弹簧，所述弹簧的第一端与动平台环状结构外侧的挂环相连，所述弹簧的第二端与连接于刚性转动轴斜孔上的销轴相连，所述销轴和斜孔共同组成限位组件，通过改变销轴所处斜孔位置能够主动调节柔性弹簧轴的倾斜角度。
优选的，所述柔性弹簧轴中的弹簧初始状态为大于原始长度的拉伸状态，在康复过程中能够伸缩或拉长。
优选地，所述驱动绳为钢丝绳。
优选地，所以动平台设置有用于绕绳的凹槽，从而能够将连接于动平台的绳索进行换向。
优选地，所述驱动绳分为前后两组，分别为第一组驱动绳和第二组驱动绳，所述第一组驱动绳的一端缠绕在第三驱动单元和第四驱动单元的卷筒上，通过转向滑轮的换向，绕过动平台上的凹槽，所述第一组驱动绳的第二端通过驱动绳锁扣与固定于动平台底部上的挂环相连；所述第二组驱动绳的第一端绕在第一驱动单元和第二驱动单元的卷筒上，通过转向滑轮的换向，所述第二组驱动绳的第二端通过驱动绳锁扣与固定于动平台顶部上的挂环相连。
优选地，所述电机通讯连接有控制器，所述动平台上设置有角度传感器，所述角度传感器与所述控制器通讯连接，所述控制器能够对电机的工作进行控制，具体方法包括如下步骤：
S1、建立康复机器人机构的整体坐标系，在所述底座平台上建立固定坐标系，在所述动平台上建立动坐标系，当机构处于初始位置时，两坐标系原点于竖直方向共线，坐标系各轴向方向一致；
S2、该柔性绳驱动踝关节康复机器人的转动为绕X轴旋转的
Figure BDA0003552453120000042
角以及Y轴旋转的θ角，该两个转动分别对应动平台的内翻和外翻以及背屈和跖屈；根据参数设定，通过运动学反解求出不同位姿情况下四根驱动绳的长度变化量；S3、定义Bi、Pi分别是静坐标系OXYZ的原点到机架上定滑轮Bi、动平台引点Pi的向量,即Bi＝OBi、Pi＝OPi；li为滑轮点Bi到牵引点Pi的向量,即li＝Bi Pi；XO'是静坐标系原点O到动坐标系O'-X'Y'Z原点的向量,即XO'＝OO'；ri是模型上的质心O'点到牵引点Pi的向量,即ri＝O'P；ui＝li/li为第i根绳的方向向量，R为动坐标系到静坐标系的旋转变换矩阵；
S4、则第i根绳的绳长表达式为：
Figure BDA0003552453120000041
S5、对驱动绳长度变化量进行求导即能得到驱动绳的伸缩速度参数，并转化为电机的脉冲数据，利用运动控制卡将指令脉冲发送给电机，最终带动电机转动；
S6、所述动平台上的角度传感器实时监测并反馈动平台姿态角度数据，以供运动控制卡实时调整输出的信号。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明装置至少具有背屈/跖屈，内翻/外翻两种运动模式，还可以通过对驱动绳的合理控制，实现旋前/旋后的运动模式，且动平台运动具有高适应性，可以适应不同患者的运动，使得康复效果更加有效，适用性更广。
2.本发明拥有两个与踝关节实际结构及实际运动过程拟合的轴线，解决了其他踝关节康复装置运动轴线不重合的问题，从而能够更好的对踝关节的运动进行康复。
3.本发明的康复装置采用驱动绳驱动作为驱动方式，惯性小、刚性冲击，且不易产生刚性结构具有的干涉等问题，柔性驱动作为与人交互的机器的驱动更加柔和，更易接受。且驱动绳布置方式参考踝关节运动时所参与的肌肉的结构，使运动曲线更符合人体的运动曲线，极大的优化了整体的康复效果。
4.本发明装置中设置的弹簧结构，初始状态为大于原长的拉伸状态，在康复过程中可以伸缩或拉长，在结构上可以抵消外部作用于动平台亦即作用于人体踝关节上的作用力，使踝关节受到尽量小的作用力，从而对踝关节进行保护，弹簧的布置方式参考踝关节附着的韧带结构，最大程度的模拟了人体的运动形式，确保有益的康复效果。
附图说明
图1为本发明柔性绳驱动踝关节康复机器人处于待机位的整体结构的示意图；
图2为本发明柔性绳驱动踝关节康复机器人处于待机位状态局部结构的正视图；
图3为本发明柔性绳驱动踝关节康复机器人处于待机位状态整体结构的右后视图；
图4为本发明柔性绳驱动踝关节康复机器人处于待机位状态驱动单元局部结构的示意图；
图5为本发明柔性绳驱动踝关节康复机器人处于待机位状态动平台结构的示意图；
图6为本发明柔性绳驱动踝关节康复机器人处于待机位状态刚性转动轴的示意图；
图7为本发明柔性绳驱动踝关节康复机器人处于待机位状态刚性转动轴与柔性弹簧轴以及动平台的综合示意图；
图8为本发明柔性绳驱动踝关节康复机器人几何模型示意图；
图9为本发明柔性绳驱动踝关节康复机器人控制过程的流程示意图。
附图标记如下：
驱动单元1，动平台2，刚性转动轴3，柔性弹簧轴4，转向滑轮5，底座平台6，固定机架7，驱动绳8，转轴11，卷筒12，轴承座13，联轴器14，驱动电机15，螺纹孔21，通孔22，凹槽结构23，带轴杆31，斜孔32，螺栓33，中间连杆34，销轴41，弹簧42，挂环43，脚轮62。
第一驱动单元101，第二驱动单元102，第三驱动单元103，第四驱动单元104。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
本发明提供一种柔性绳驱动踝关节康复机器人，如图1至图2所示，其包括固定机架7、动平台2、刚性转动轴3、柔性弹簧轴4、转向滑轮5、底座平台6和多组驱动单元1。底座6的底部四个角处可以设置便于移动的脚轮62，从而方便整个装置的移动。
多组驱动单元1以及固定支架均设置在底座平台6上，多组驱动单元1两两对称的设置在固定支架7的两侧，固定支架7每一侧均设置有一个驱动单元1。动平台2设置在固定支架7的内部，刚性转动轴3与固定机架7之间借助于连接件连接并能绕定轴转动，柔性弹簧轴4与刚性转动轴3之间进一步转动连接在一起。
每组驱动单元1均连接有一根驱动绳8的第一端，驱动绳8的第二端经过转向滑轮5后与动平台2连接，驱动绳8能够在驱动单元1的驱动下带动动平台2实现六自由度的移动或转动。
通过分析人体踝关节背跖屈、内外翻运动，踝关节的每一个单独运动都有多组肌肉协同参与，参与背屈动作的有胫骨前肌、第三腓骨肌等，参与跖屈运动的有胫骨后肌、腓骨长/短肌等，参与内翻运动的有胫骨前肌、胫骨后肌等，参与外翻运动的有腓骨长/短肌、第三腓骨肌等。综上，有四组肌肉是在这四种运动中全部存在的，分别为胫骨前肌、胫骨后肌、第三腓骨肌和腓骨长/短肌，本柔性绳驱动踝关节康复机器人的四组驱动便是对应者四组肌肉的分布机构来布置的。其中第一驱动单元和第二驱动单元对应胫骨前肌和第三腓骨肌，第三驱动单元和第四驱动单元对应胫骨后肌和腓骨长/短肌。参考胫骨后肌以及腓骨长/短肌的结构，第三及第四驱动单元的绳索布置应为由根部绕到足底的结构，所以动平台根部有绕绳所需凹槽，用来将连接于动平台的绳索换向。
电机通讯连接有控制器，动平台2上设置有角度传感器，角度传感器与控制器通讯连接，控制器能够对电机的工作进行控制，具体方法包括如下步骤：
S1、建立康复机器人机构的整体坐标系，在底座平台6上建立固定坐标系，在动平台2上建立动坐标系，当机构处于初始位置时，两坐标系原点于竖直方向共线，坐标系各轴向方向一致。
S2、该柔性绳驱动踝关节康复机器人的转动为绕X轴旋转的
Figure BDA0003552453120000072
角以及Y轴旋转的θ角，该两个转动分别对应动平台2的内翻和外翻以及背屈和跖屈；根据参数设定，通过运动学反解求出不同位姿情况下四根驱动绳8的长度变化量；
S3、定义Bi、Pi分别是静坐标系OXYZ的原点到机架上定滑轮Bi、动平台2引点Pi的向量,即Bi＝OBi、Pi＝OPi；li为滑轮点Bi到牵引点Pi的向量,即li＝Bi Pi；XO'是静坐标系原点O到动坐标系O'-X'Y'Z原点的向量,即XO'＝OO'；ri是模型上的质心O'点到牵引点Pi的向量,即ri＝O'P；ui＝li/li为第i根绳的方向向量，R为动坐标系到静坐标系的旋转变换矩阵。
S4、则第i根绳的绳长表达式为：
Figure BDA0003552453120000071
S5、对驱动绳8长度变化量进行求导即可得到驱动绳8的伸缩速度参数，并转化为电机的脉冲数据，利用运动控制卡将指令脉冲发送给电机，最终带动电机转动。
S6、动平台2上的角度传感器实时监测并反馈动平台2姿态角度数据，以供运动控制卡实时调整输出的信号。
如图3所示，驱动单元1包括驱动电机15、立式轴承座13以及卷筒12，卷筒12的两端分别借助于转轴11与立式轴承座13连接，驱动电机15借助于联轴器14与卷筒12一端的转轴连接，驱动绳8环绕在卷筒12上，驱动电机15带动卷筒正反转从而控制驱动绳8的收放。驱动电机15为直流无刷电机。
在本发明的一个实施例中，如图4-图5所示，刚性转动轴3包括两个结构相同的带轴杆31以及中间连接杆34；其中两个带轴杆31上分别有三组对称布置的斜孔32以及用于放置柔性弹簧轴4的销轴41，斜孔32的间距均为20mm，斜孔32的目的为可以通过改变销轴放置的斜孔来改变柔性弹簧轴4的方向，以起到切换装置左右脚的功能；中间连接杆34与带轴杆31通过螺栓33连接。使其成为一个整体，从而可以一同沿轴线旋转。踝关节由胫、腓骨下端的关节面和距骨滑车组成，足背部向上方运动时，小腿前部与足背部角度减小，称为背屈，反之为跖屈。足背屈时，距骨滑车前部进入关节窝内，跖屈时距骨滑车后部进入关节窝内，进行背跖屈时，踝关节矢状面活动旋转轴大致沿踝关节内侧与外侧髁连线，该单轴由踝关节结构性质所决定，可等效看作刚性转动轴，刚性转动轴3的作用即为拟合人体踝关节背跖屈运动时此单轴。
柔性弹簧轴4由两组呈三棱锥形布置的弹簧42所构成。弹簧42的第一端与动平台2环状结构外侧的挂环相连，弹簧42的第二端与连接于刚性转动轴3斜孔上的销轴41相连。与胫距关节类似，距下关节旋转轴为由跟骨后下方斜向前内上方，斜经跗骨窦，至距骨颈上内测的假想轴，该轴与之平面夹角约呈42°，与矢状面约呈16°，足部内翻外翻便是沿着这个假想的倾斜轴进行的。柔性弹簧轴4的作用即为拟合人体踝关节做内外翻运动时，距下关节所绕旋转的假想运动轴线，因该轴并非刚性转动轴，用弹簧结构来模拟便可提供更多的灵活空间，使结构更具自适应性。因柔性弹簧轴4固定于第一刚性转轴上，所以不会超出应有界限，且其由弹簧组成，具有一定的可调性与适应性，与踝关节运动时的轴线关系尤其相似，从而能够更好的拟合。
柔性弹簧轴4中的弹簧初始状态为大于原始长度的拉伸状态，在康复过程中可以伸缩或拉长，在结构上可以抵消外部作用于动平台2亦即作用于人体踝关节上的作用力，使踝关节受到尽量小的作用力。
具体实施例
本发明提供的一种柔性绳驱动踝关节康复机器人，如图1并结合图2-6所示，包括驱动单元1、动平台2、刚性转动轴3、柔性弹簧轴4、转向滑轮5和底座平台6。其中刚性转动轴3与固定机架7通过立式轴承连接，使得刚性转动轴3结构可以绕定轴转动，柔性弹簧轴4通过轴承与刚性转动轴3连接，使得柔性弹簧轴4与刚性转动轴3成为一个整体的情况下仍然可以相对于刚性转动轴3有独立的转动行为。
在底座平台6的底部四周布置有四个脚轮62，通过螺栓连接固定在底座平台6上，底座平台6上部四周布置有四组驱动单元1，分别为第一驱动单元101，第二驱动单元102，第三驱动单元103以及第四驱动单元104。本实施例中，固定支架7的前侧设置有第一驱动单元101和第二驱动单元102，固定支架7的后侧设置有第三驱动单元103和第四驱动单元104，第一驱动单元101与第三驱动单元103相对设置，第二驱动单元102与第四驱动单元104相对设置。
每组驱动单元分别包括转轴11、卷筒12、轴承座13、联轴器14以及直流无刷电机15。直流无刷电机15通过电机架固定在底座6上，联轴器14的一端与电机轴相连一端与转轴相连，转轴左右两端分别与轴承座13配合，轴向固定通过轴承挡圈实现。转轴与卷筒12之间采用键连接。
驱动绳8前后分为两组，其中一组的一端缠绕在后侧两组驱动单元1中卷筒12上，通过转向滑轮5的换向，绕过动平台上的凹槽结构23，另一端通过驱动绳锁扣与固定于动平台底部21上的挂环43相连。另外一组一端绕在前侧两组驱动单元1中的卷筒12上，通过转向滑轮5的换向，另一端通过驱动绳锁扣与固定于动平台顶部21上的挂环43相连。
动平台顶部21设置有用来连接挂环43的M6的螺纹孔、两组两两对称布置的方形通孔22以及左右对称布置的凹槽结构23，方形通孔22用来穿过固定人足的绑带；凹槽结构23用来将连接于动平台下部的驱动绳8换向。
刚性转动轴3与柔性弹簧轴4复合结构如图6所示。踝关节康复机器人的两个转动分别为刚性转动轴3绕轴承的转动，以及柔性弹簧轴4的斜孔中的转动。销轴和斜孔共同组成限位组件，通过改变销轴所处斜孔位置能够主动调节柔性弹簧轴的倾斜角度。
下面对本发明的工作原理进行进一步说明：
如图7到9所示，在驱动单元1、驱动绳8以及转向滑轮5的共同作用下，动平台2可以实现踝关节的背屈/跖屈运动以及内翻/外翻运动。能有效的带动患者的踝关节运动。机器人处于左足模式时，在进行背屈运动时，前侧两组驱动单元(即第一驱动单元101和第二驱动单元102)中的直流无刷电机15旋转，通过联轴器14传递给转轴11，转轴11将转动传递给卷筒12，卷筒带动驱动绳8缩短，同时，将后侧两组驱动单元(即第三驱动单元103和第四驱动单元104)的驱动绳8放长；在进行跖屈运动时，后侧两组驱动单元(即第三驱动单元103和第四驱动单元104)中的直流无刷电机15旋转，通过联轴器14传递给转轴11，转轴11将转动传递给卷筒12，卷筒12带动驱动绳8缩短，同时，前侧两组驱动单元即第一驱动单元101和第二驱动单元102)的驱动绳8放长。进行内翻运动时，右侧两组驱动单元(即第一驱动单元101和第三驱动单元103)中的直流无刷15旋转，通过联轴器14传递给转轴11，转轴11将转动传递给卷筒12，卷筒12带动驱动绳8缩短，同时，左侧两组驱动单元(即第二驱动单元102和第四驱动单元104)的驱动绳8放长。在进行外翻运动时，左侧两组驱动单元(即第二驱动单元102和第四驱动单元104)中的直流无刷电机15旋转，通过联轴器14传递给转轴11，转轴11将转动传递给卷筒12，卷筒带动驱动绳8缩短，同时，右侧两组驱动单元(即第一驱动单元101和第三驱动单元103)的驱动绳8放长。
在使用时，机器人可切换左右脚模式。机器人处于右足模式时，需将柔性弹簧轴的方向进行对调切换，此时在进行背屈运动时，前侧两组驱动单元(即第一驱动单元101和第二驱动单元102)中的直流无刷电机15旋转，通过联轴器14传递给转轴11，转轴11将转动传递给卷筒12，卷筒带动驱动绳8缩短，同时，将后侧两组驱动单元(即第三驱动单元103和第四驱动单元104)的驱动绳8放长；在进行跖屈运动时，后侧两组驱动单元(即第三驱动单元103和第四驱动单元104)中的直流无刷电机15旋转，通过联轴器14传递给转轴11，转轴11将转动传递给卷筒12，卷筒12带动驱动绳8缩短，同时，前侧两组驱动单元即第一驱动单元101和第二驱动单元102)的驱动绳8放长。进行外翻运动时，右侧两组驱动单元(即第一驱动单元101和第三驱动单元103)中的直流无刷15旋转，通过联轴器14传递给转轴11，转轴11将转动传递给卷筒12，卷筒12带动驱动绳8缩短，同时，左侧两组驱动单元(即第二驱动单元102和第四驱动单元104)的驱动绳8放长。在进行内翻运动时，左侧两组驱动单元(即第二驱动单元102和第四驱动单元104)中的直流无刷电机15旋转，通过联轴器14传递给转轴11，转轴11将转动传递给卷筒12，卷筒带动驱动绳8缩短，同时，右侧两组驱动单元(即第一驱动单元101和第三驱动单元103)的驱动绳8放长。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性绳驱动踝关节康复机器人，其特征在于：
其包括固定机架、动平台、刚性转动轴、柔性弹簧轴、转向滑轮、底座平台和多组驱动单元；
所述多组驱动单元以及固定支架均设置在所述底座平台上，所述多组驱动单元两两对称的设置在所述固定支架的两侧，所述固定支架的前侧设置有第一驱动单元和第二驱动单元，所述固定支架的后侧设置有第三驱动单元和第四驱动单元，所述第一驱动单元与第三驱动单元相对设置，第二驱动单元与第四驱动单元相对设置，所述动平台设置在所述固定支架内部，所述刚性转动轴与所述固定机架之间借助于连接件连接并能绕定轴转动，所述柔性弹簧轴与所述刚性转动轴之间进一步转动连接；
所述刚性转动轴包括两个结构相同的带轴杆以及中间连接杆，所述中间连接杆与带轴杆连接并能够同时沿轴线转动，所述刚性转动轴能够拟合人体踝关节背跖屈运动时胫骨与距骨间相对转动的运动轴线；所述柔性弹簧轴包括两组呈三棱锥形布置的弹簧，所述柔性弹簧轴用来拟合人体踝关节做内外翻运动时距下关节所绕旋转的运动轴线，所述柔性弹簧轴的倾斜角度能够借助于限位组件进行调节；
每组驱动单元均连接有一根驱动绳的第一端，驱动绳的第二端经过转向滑轮后与所述动平台连接；
在驱动单元、驱动绳以及转向滑轮的共同作用下，动平台能够实现踝关节的背屈/跖屈运动以及内翻/外翻运动，在进行背屈运动时，第一驱动单元和第二驱动单元的驱动绳缩短且第三驱动单元和第四驱动单元的驱动绳放长；在进行跖屈运动时，第三驱动单元和第四驱动单元的驱动绳缩短且第一驱动单元和第二驱动单元的驱动绳放长，进行内翻运动时，第一驱动单元和第三驱动单元的驱动绳缩短且第二驱动单元和第四驱动单元的驱动绳放长，在进行外翻运动时，第二驱动单元和第四驱动单元的驱动绳缩短且第一驱动单元和第三驱动单元的驱动绳放长。
2.根据权利要求1所述的柔性绳驱动踝关节康复机器人，其特征在于：所述刚性转动轴与所述固定机架之间借助于立式轴承连接。
3.根据权利要求1所述的柔性绳驱动踝关节康复机器人，其特征在于：驱动单元包括驱动电机、立式轴承座以及卷筒，所述卷筒的两端分别借助于转轴与所述立式轴承座连接，所述驱动电机借助于联轴器与所述卷筒一端的转轴连接，所述驱动绳环绕在卷筒上，所述驱动电机带动卷筒正反转从而控制驱动绳的收放。
4.根据权利要求1所述的柔性绳驱动踝关节康复机器人，其特征在于：所述中间连接杆与带轴杆通过螺栓连接，所述两个带轴杆上分别设置有三组对称布置的斜孔。
5.根据权利要求4所述的柔性绳驱动踝关节康复机器人，其特征在于：所述柔性弹簧轴包括两组呈三棱锥形布置的弹簧，所述弹簧的第一端与动平台环状结构外侧的挂环相连，所述弹簧的第二端与连接于刚性转动轴斜孔上的销轴相连，所述销轴和斜孔共同组成限位组件，通过改变销轴所处斜孔位置能够主动调节柔性弹簧轴的倾斜角度。
6.根据权利要求1所述的柔性绳驱动踝关节康复机器人，其特征在于：所述柔性弹簧轴中的弹簧初始状态为大于原始长度的拉伸状态，在康复过程中能够伸缩或拉长。
7.根据权利要求1所述的柔性绳驱动踝关节康复机器人，其特征在于：所述驱动绳为钢丝绳。
8.根据权利要求7所述的柔性绳驱动踝关节康复机器人，其特征在于：所述动平台设置有用于绕绳的凹槽，从而能够将连接于动平台的绳索进行换向。
9.根据权利要求1所述的柔性绳驱动踝关节康复机器人，其特征在于：
所述驱动绳分为前后两组，分别为第一组驱动绳和第二组驱动绳，所述第一组驱动绳的一端缠绕在第三驱动单元和第四驱动单元的卷筒上，通过转向滑轮的换向，绕过动平台上的凹槽，所述第一组驱动绳的第二端通过驱动绳锁扣与固定于动平台底部上的挂环相连；所述第二组驱动绳的第一端绕在第一驱动单元和第二驱动单元的卷筒上，通过转向滑轮的换向，所述第二组驱动绳的第二端通过驱动绳锁扣与固定于动平台顶部上的挂环相连。
10.根据权利要求1所述的柔性绳驱动踝关节康复机器人，其特征在于：所述电机通讯连接有控制器，所述动平台上设置有角度传感器，所述角度传感器与所述控制器通讯连接，所述控制器能够对电机的工作进行控制，具体方法包括如下步骤：
S1、建立康复机器人机构的整体坐标系，在所述底座平台上建立固定坐标系，在所述动平台上建立动坐标系，当机构处于初始位置时，两坐标系原点于竖直方向共线，坐标系各轴向方向一致；
S2、该康复机器人的转动为绕X轴旋转的
Figure FDA0003552453110000032
角以及Y轴旋转的θ角，该两个转动分别对应动平台的内翻和外翻以及背屈和跖屈；根据参数设定，通过运动学反解求出不同位姿情况下四根驱动绳的长度变化量；
S3、定义Bi、Pi分别是静坐标系OXYZ的原点到机架上定滑轮Bi、动平台引点Pi的向量,即Bi＝OBi、Pi＝OPi；li为滑轮点Bi到牵引点Pi的向量,即li＝Bi Pi；XO'是静坐标系原点O到动坐标系O'-X'Y'Z原点的向量,即XO'＝OO'；ri是模型上的质心O'点到牵引点Pi的向量,即ri＝O'P；ui＝li/li为第i根绳的方向向量，R为动坐标系到静坐标系的旋转变换矩阵；
S4、则第i根绳的绳长表达式为：
Figure FDA0003552453110000031
S5、对驱动绳长度变化量进行求导即能得到驱动绳的伸缩速度参数，并转化为电机的脉冲数据，利用运动控制卡将指令脉冲发送给电机，最终带动电机转动；
S6、所述动平台上的角度传感器实时监测并反馈动平台姿态角度数据，以供运动控制卡实时调整输出的信号。
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