CN215193441U - 一种踝关节康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种踝关节康复训练机器人，包括支撑机构、驱动机构和倾斜度调整机构，支撑机构包括脚掌支撑板、小腿支撑板和转动关节，脚掌支撑板通过转动关节与小腿支撑板相连，小腿支撑板与倾斜度调整机构相连，通过倾斜度调整机构上下调整相对底座的倾斜度；驱动机构包括驱动单元、多根绳索和多个过线滑轮，脚掌支撑板至少在四个角处各固定一根绳索，至少在小腿支撑板和底座上固定设置至少一个过线滑轮，每根绳索依次绕过小腿支撑板上对应的滑轮和底座上对应的滑轮与驱动单元相连。本实用新型采用刚性构件和转动关节提供三个自由度转动，且采用柔性绳索驱动，实现足踝相对于小腿的精确运动。

Description

一种踝关节康复训练机器人

技术领域

本实用新型属于康复器械技术领域，具体涉及一种踝关节康复训练机器人。

背景技术

踝关节由小腿的胫骨以及腓骨末端关节面和距骨滑车组成，所以又常常被称为距骨小腿关节。正常的踝关节可以实现跖屈/背屈、内翻/外翻、内收/外展三个自由度的旋转。踝关节作为人体与地面接触的枢纽，在日常生活中发挥着重要的作用。运动损伤、手术后恢复、中风、脊髓损伤、脑颅损伤等原因都会引起踝关节损伤，造成运动障碍，给人们的日常生活带来诸多不便。传统的踝关节康复方式主要是依靠理疗师，这种方式存在工作强度大、难以量化等诸多不足，并且随着踝关节损伤患者人数增加，已不能满足需求。因此，通过机器人辅助踝关节康复训练非常有必要。

目前国内外设计的踝关节康复训练机器人不同程度的存在以下问题：(1)采用刚性构件驱动，惯性大，柔顺性差，具有安全隐患；(2)机构功能单一、自由度数目不足，不能实现绕踝关节中心的3自由度转动，或者只支持被动康复训练模式，不支持主动康复训练模式，影响康复效果；(3)踝关节康复训练机器人的转动中心与踝关节转动中心存在较大偏差，轻则达不到指定运动角度影响康复进度，重则导致踝关节二次损伤。

因此，根据踝关节康复训练的需求以及目前已有踝关节康复训练机器人存在的不足，如何在踝关节骨骼肌肉系统和运动规律的基础上，提供一种新型的踝关节康复训练机器人，是一个急需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种踝关节康复训练机器人，从而克服现有技术的不足。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：一种踝关节康复训练机器人，包括支撑机构、驱动机构和倾斜度调整机构，所述支撑机构通过所述倾斜度调整机构与底座相连，通过所述倾斜度调整机构上下调整相对底座的倾斜度；所述支撑机构包括脚掌支撑板、小腿支撑板和转动关节，所述脚掌支撑板通过转动关节与小腿支撑板相连，所述小腿支撑板与倾斜度调整机构相连；所述驱动机构包括驱动单元、多根绳索、多个过线滑轮和变刚度装置，所述驱动单元固定于底座上，所述脚掌支撑板至少在四个角处各固定一根所述绳索，至少在所述小腿支撑板和底座上固定设置至少一个所述过线滑轮，每根所述绳索依次绕过小腿支撑板上对应的过线滑轮和底座上对应的过线滑轮与所述驱动单元相连，所述变刚度装置与每根绳索对应的过线滑轮相连，用于调节绳索的拉力。

在一优选实施例中，所述变刚度装置包括至少一个弹性件，每个所述弹性件的一端接过线滑轮，另一端与底座固定相连。

在一优选实施例中，所述变刚度装置还包括多个拉力传感器，所述拉力传感器的一端接一所述弹性件，另一端与底座固定相连。

在一优选实施例中，所述倾斜度调整机构包括固定件和调整件，所述固定件一端与底座固定连接，另一端与小腿支撑板固定连接，所述调整件一端与小腿支撑板铰接，另一端与固定件滑动连接。

在一优选实施例中，所述转动关节包括冠状轴转动关节、矢状轴转动关节和垂直轴转动关节，所述冠状轴转动关节与脚掌支撑板转动连接且与矢状轴转动关节固定连接，所述垂直轴转动关节与矢状轴转动关节转动连接且与小腿支撑板固定连接。

在一优选实施例中，所述驱动机构还包括与驱动单元相连的电源单元和控制盒，所述电源单元和控制盒安装于底座上。

在一优选实施例中，所述脚掌支撑板、小腿支撑板上分别设置有对脚掌和小腿进行固定的固定带。

在一优选实施例中，所述脚掌支撑板的两侧还各设一连接件，所述连接件一端与脚掌支撑板固定连接，另一端与冠状轴转动关节转动连接。

在一优选实施例中，所述转动关节的转动中心与踝关节转动中心相重合。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果至少在于：

1、本实用新型结合了平台型和穿戴型踝关节康复训练机器人的特点，采用刚性构件和转动关节提供三个自由度转动，采用柔性绳索驱动，通过固定小腿，实现足踝相对于小腿的精确运动，避免小腿在踝关节康复运动过程中发生位移。

2、本实用新型的康复训练机器人具有倾斜对机构，可以根据患者的需要，调节小腿的倾斜程度，既可以坐着，也可以躺着进行康复训练。

3、本申请在绳索驱动系统中增加了弹性单元，可以提高踝关节康复训练机器人的柔顺性，使康复过程更加柔顺、安全；以及增加了拉力传感器，可以测量绳索张力，进而通过控制绳索张力来调整康复训练机器人的刚度，实现康复机器人的刚度调控和柔顺控制。

4、本申请的踝关节康复训练机器人是冗余驱动的，既驱动绳索数量大于机器人自由度数，通过调节3根绳索的长度可以调整踝关节康复训练机器人的位姿，通过调整剩余那根绳索的张力，可以调整踝关节康复训练机器人的刚度，这样，可以实现踝关节康复训练机器人的位姿/ 刚度同步控制，这种结构和控制方式既可以支持踝关节的被动康复训练，也可以支持踝关节的主动康复训练，具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型中记载的一些实施例，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是本实用新型一实施方式中踝关节康复训练机器人的立体结构图；

图2是本实用新型底座和驱动单元的结构示意图；

图3是本实用新型支撑机构的结构示意图；

图4是本实用新型绳索绕过底座滑轮的结构示意图；

图5是本实用新型转动关节的结构示意图。

附图标记：

10、底座，20、支撑机构，21、脚掌支撑板，211、第一固定带，212、连接件，22、小腿支撑板，221、第二固定带，23、转动关节，231、冠状轴转动关节，232、矢状轴转动关节， 233、垂直轴转动关节，30、驱动机构，31、驱动单元，32、绳索，33、过线滑轮，331、定滑轮，332、动滑轮，333、光滑导轨，34、弹性件，35、拉力传感器，36、电源单元和控制盒，40、倾斜度调整机构，41、固定件，42、调整件。

具体实施方式

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本实用新型。本文中揭示本实用新型的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本实用新型的示范性，本实用新型可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本实用新型的代表性基础。

结合图1～图3所示，本实用新型所揭示的一种踝关节康复训练机器人，包括支撑机构20、驱动机构30和倾斜度调整机构40，其中，支撑机构20通过倾斜度调整机构40与底座10相连，通过该倾斜度调整机构40可以上下调整支撑机构20相对底座10的倾斜度，可以根据患者的需要，调节小腿的倾斜程度，既可以坐着，也可以躺着进行康复训练。

本实施例中，结合图1和图3所示，支撑机构20具体包括脚掌支撑板21、小腿支撑板22和转动关节23，其中，脚掌支撑板21在初始状态下竖直设置，其整体呈一长方形的板子，其宽度和长度的设置根据脚掌的宽度和长度设置，以能容纳脚掌。脚掌支撑板21上还设置有用于固定脚掌的第一固定带211，脚掌伸入到第一固定带211内，通过第一固定带211将脚掌与脚掌支撑板21固定，固定后，脚掌的底面与脚掌支撑板21相贴合。脚掌支撑板21的左右两侧还各设一连接件212，连接件212沿与脚掌支撑板21所在的方向相垂直的方向向外延伸，每个连接件212的一端与脚掌支撑板21固定，另一端用于与转动关节23相转动连接。

转动关节23连接脚掌支撑板21和小腿支撑板22，本实施例中，结合图5所示，转动关节23 具体包括三个单自由度的转动关节，按照人体标准解剖学姿势的定义，分别是冠状轴转动关节231、矢状轴转动关节232和垂直轴转动关节233，它们分别用于实现踝关节的内旋/外旋、内收/外展、跖屈/背屈运动。其中，冠状轴转动关节231与连接件212转动连接，且与矢状轴转动关节232相固定连接，本实施例中，冠状轴转动关节231整体近似呈开口向上的U形状，其上面两个自由端部分别与一连接件212的另一端转动连接，可沿向脚掌支撑板21靠近或远离的前后方向转动，冠状轴转动关节231的下面中部与矢状轴转动关节232相固定连接。矢状轴转动关节232与冠状轴转动关节231连接，可带动冠状轴转动关节231在竖直方向转动。垂直轴转动关节233与矢状轴转动关节232转动连接，且与小腿支撑板22固定连接，且可带动小腿支撑板22在左右方向转动以及在竖直方向转动。本实用新型通过转动关节23实现脚踝的转动，且使得本实用新型脚掌支撑板21的各向转动均直接以患者踝关节为轴心，使踝关节康复训练机器人的转动中心与踝关节转动中心重合，从而形成最佳人机配合。

小腿支撑板22所延伸的方向与脚掌支撑板21所在的方向相垂直，用于支撑及固定住小腿。本实施例中，小腿支撑板22整体呈一开口向上的弧形板，其弧度和长度的设置根据小腿的粗细和长度设置，以能容纳及支撑住小腿。小腿支撑板22上也设置有第二固定带221，第二固定带221的两端分别与小腿支撑板22的两端相连接，小腿穿过第二固定带221支撑于小腿支撑板 22上，且通过第二固定带221固定于小腿支撑板22上。

本实施例中，倾斜度调整机构40具体包括固定件41和调整件42，其中，固定件41竖直设置，其一端固定支撑于底座10上，另一端与小腿支撑板22相固定连接，调整件42的一端与小腿支撑板22相交接，另一端与固定件41滑动连接，可沿固定件41上下滑动。

本实施例中，驱动机构30具体包括驱动单元31、多根绳索32和多个过线滑轮33，其中，驱动单元31固定于底座10上，其与绳索32相连。本实施例中，绳索32设置有四根，四根绳索 32的一端分别与脚掌支撑板21的四个角相固定连接，用于分别对脚掌支撑板21的上端、下端和对角线进行牵拉。

小腿支撑板22和底座10上均设置有多个过线滑轮33，本实施例中，小腿支撑板22上设置有两个左过线滑轮33和两个右过线滑轮33，即小腿支撑板22的左右两侧各设置两个过线滑轮 33，每侧的两个过线滑轮33在小腿支撑板22上沿前后方向分布。四根绳索32分别绕过小腿支撑板22上的四个过线滑轮33，具体地，脚掌支撑板21两侧的两根绳索32分别绕过小腿支撑板 22对应侧的两个过线滑轮33。结合图4所示，底座10上也设置至少四组过线滑轮33，每组过线滑轮33对应一根绳索32，底座10上的每组过线滑轮33包括两个定滑轮331和一个动滑轮332，其中，两个定滑轮331上下设置，且定滑轮331固定于底座10上，动滑轮332位于两个定滑轮331 的一侧，且动滑轮332通过光滑导轨333滑动设置于底座10上。每根绳索32依次绕过上部的定滑轮331、动滑轮332和下部的定滑轮331后与驱动单元31相连。四根绳索32分别绕过底座10 上的四组过线滑轮33后与驱动单元31连接，在驱动单元31的驱动下对脚掌支撑板21进行相应牵拉。

由于驱动绳索的刚度较大，形变量有限，为了提高踝关节康复训练机器人的刚度变化范围。优选地，驱动机构30还包括设置于底座10上的变刚度装置，底座上的每组过线滑轮33对应一个变刚度装置，每个变刚度装置包括至少一个弹性件34和至少一个拉力传感器35，本实施例中，设置四个弹性件34和四个拉力传感器35，即每个弹性件34的一端与一个动滑轮相连，另一端与拉力传感器35的一端相连，拉力传感器35的另一端与底座10固定相连，这样，通过调节驱动绳索的张力可以调节变刚度装置的刚度，进而增强踝关节康复训练机器人的柔顺性和安全性。另外，驱动机构30还包括电源单元和控制盒36，电源单元和控制盒36均安装于底座10上，且均与驱动单元31相连。弹性件34的增加可以增大绳索驱动机器人的刚度变化范围，进一步提高机器人的柔顺性和安全性。

本实用新型的踝关节康复训练机器人是冗余驱动的，既驱动绳索数量大于装置自由度数，通过调节3根绳索的长度可以调整踝关节康复训练机器人的位姿，通过调整剩余那根绳索的张力，可以调整踝关节康复训练机器人的刚度。本申请中，驱动绳索的长度变化通过驱动电机的编码器(图未示)和过线滑轮的直径计算而得，驱动绳索的张力通过每个绳索的拉力传感器测量而得，这样，可以实现踝关节康复训练机器人的位姿/刚度同步控制，这种结构和控制方式既可以支持踝关节的被动康复训练，也可以支持踝关节的主动康复训练。

本实用新型一种踝关节康复训练机器人的工作原理具体为：患者将腿部放到小腿支撑板 22的半圆槽内，脚掌则固定在脚掌支撑板21上，此时腿部和脚掌的相对位置固定，然后调整各绳索32的长度，使它们张紧。之后通过绳索32单侧牵拉脚掌支撑板21的上端或下端，完成踝关节的跖屈/背屈运动；通过绳索32单侧牵拉脚掌支撑板21的左侧或右侧，完成踝关节的内收/外展运动；通过绳索32在对角线位置的配对牵拉，完成踝关节的内旋/外旋运动。

本实用新型的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本实用新型，本实用新型的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本实用新型的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

在本实用新型案中标题及章节的使用不意味着限制本实用新型；每一章节可应用于本实用新型的任何方面、实施例或特征。

除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或 having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。

尽管已参考说明性实施例描述了本实用新型，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本实用新型的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本实用新型的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本实用新型的教示。因此，本文并不打算将本实用新型限制于用于执行本实用新型的所揭示特定实施例，而是打算使本实用新型将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (9)

1.一种踝关节康复训练机器人，其特征在于，所述踝关节康复训练机器人包括支撑机构、驱动机构和倾斜度调整机构，所述支撑机构通过所述倾斜度调整机构与底座相连，通过所述倾斜度调整机构上下调整相对底座的倾斜度；所述支撑机构包括脚掌支撑板、小腿支撑板和转动关节，所述脚掌支撑板通过转动关节与小腿支撑板相连，所述小腿支撑板与倾斜度调整机构相连；所述驱动机构包括驱动单元、多根绳索、多个过线滑轮和变刚度装置，所述驱动单元固定于底座上，所述脚掌支撑板至少在四个角处各固定一根所述绳索，至少在所述小腿支撑板和底座上固定设置至少一个所述过线滑轮，每根所述绳索依次绕过小腿支撑板上对应的过线滑轮和底座上对应的过线滑轮与所述驱动单元相连，所述变刚度装置与每根绳索对应的过线滑轮相连，用于调节绳索的拉力。

2.根据权利要求1所述的一种踝关节康复训练机器人，其特征在于，所述变刚度装置包括至少一个弹性件，每个所述弹性件的一端接过线滑轮，另一端与底座固定相连。

3.根据权利要求2所述的一种踝关节康复训练机器人，其特征在于，所述变刚度装置还包括多个拉力传感器，所述拉力传感器的一端接一所述弹性件，另一端与底座固定相连。

4.根据权利要求1所述的一种踝关节康复训练机器人，其特征在于，所述倾斜度调整机构包括固定件和调整件，所述固定件一端与底座固定连接，另一端与小腿支撑板固定连接，所述调整件一端与小腿支撑板铰接，另一端与固定件滑动连接。

5.根据权利要求1所述的一种踝关节康复训练机器人，其特征在于，所述转动关节包括冠状轴转动关节、矢状轴转动关节和垂直轴转动关节，所述冠状轴转动关节与脚掌支撑板转动连接且与矢状轴转动关节固定连接，所述垂直轴转动关节与矢状轴转动关节转动连接且与小腿支撑板固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种踝关节康复训练机器人，其特征在于，所述驱动机构还包括与驱动单元相连的电源单元和控制盒，所述电源单元和控制盒安装于底座上。

7.根据权利要求1所述的一种踝关节康复训练机器人，其特征在于，所述脚掌支撑板、小腿支撑板上分别设置有对脚掌和小腿进行固定的固定带。

8.根据权利要求5所述的一种踝关节康复训练机器人，其特征在于，所述脚掌支撑板的两侧还各设一连接件，所述连接件一端与脚掌支撑板固定连接，另一端与冠状轴转动关节转动连接。

9.根据权利要求1所述的一种踝关节康复训练机器人，其特征在于，所述转动关节的转动中心与踝关节转动中心相重合。

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