CN103479502B - 一种踝关节康复装置 - Google Patents

Abstract

一种踝关节康复装置，包括基座、动平台、主动支链和约束支链；所述基座包括底座和支撑平台，所述支撑平台通过支撑杆固定在底座上；所述约束支链可转动的设置在基座上，所述约束支链包括承重平台、左支撑连杆、右支撑连杆和弧形连杆，所述承重平台套设在支撑杆上；所述主动支链包括第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链，所述第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链为并列的RUS支链。约束支链与动平台的设计，实现了三个方向自由度的转动，不仅保证了转动中心相互重合，同时由于约束支链轴线的相互正交性，使机构具有运动部分解耦的特性。

Description

一种踝关节康复装置

技术领域

本发明涉及康复医疗器械领域，特别涉及一种用于对踝关节创伤后的患者进行康复训练治疗的冗余驱动的踝关节康复装置。

背景技术

踝关节是人体主要承重结构之一，在人体站立和行走时承担着身体全部的重量。特别是奔跑、跳跃和身体负重的时候，踝关节承受着巨大的载荷和冲击，故其关节损伤或扭伤在日常生活中最为常见。踝关节损伤后，一旦得不到合理的治疗和恢复将形成创伤性关节炎，会造成踝关节长期疼瘸、功能障碍等症状，从而影响工作和生活。相关临床医学证明，正确的、科学的踝关节康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用，不仅能够维持关节活动度、防止关节挛缩和粘连，而且能够明显提高患者运动功能的最终康复程度。

现有的踝关节康复训练装置通常只有1到2个自由度，功能少，康复训练模式单一。为实现踝关节多个自由度的复杂运动，美国新泽西州的大学的Girone等研制出6自由度基于气动伺服***控制的Stewart机构的RutgersAnkle踝关节康复***，但该装置存在着机构复杂，自由度数多以及需要配置独立气源等缺点。另外踝关节康复时，可忽略其微小的移动自由度。为此，戴建生和赵铁石提出了具有被动约束支链的三和四个自由度3-SPS/S，3-SPS/SP踝关节康复并联机构。中国专利申请号200810052248.7的专利文件中也公开了一种三自由度3-RSS/S踝关节康复并联机构。但上述两种机构存在同样一个问题，即机构与踝关节的转动中心没有相互重合，导致小腿跟随踝关节一起进行运动，降低了患者训练时的舒适度。为解决并联机构工作空间内存在奇异的问题，英国伦敦国王学院的Saglia等提出了二自由度3-SPS/U冗余驱动踝关节康复机构，但也存在转动中心不相重合的问题。另外，奥克兰大学Tsoi等也提出了一种三自由度冗余驱动4-UPS/S踝关节康复机器人，虽然能够实现以踝关节为转动中心的康复训练，但患者的下肢会受到其他方向的作用力，影响康复效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有冗余驱动特性的三自由度3-RUS/RRR踝关节康复装置，该装置可实现踝关节背屈/跖屈，内翻/外翻，内旋/外旋等三个方向的转动；可根据不同的患者调整平台到转动中心的距离，使机构与踝关节的转动中心相重合；采用了冗余驱动布置方案，在消除工作空间内奇异和避免额外杆件之间干涉的同时，还具有上下两个平台实现可重构特性，增加***的灵活性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种踝关节康复装置，包括基座、动平台、主动支链和约束支链；所述基座包括底座和支撑平台，所述支撑平台通过支撑杆固定在底座上；所述底座上固设有第四电机，所述支撑平台上固设有第一电机、第二电机和第三电机；所述约束支链可转动的设置在基座上，所述约束支链包括承重平台、左支撑连杆、右支撑连杆和弧形连杆，所述承重平台的两端固设有左支撑连杆和右支撑连杆，所述左支撑连杆和右支撑连杆呈匹配对称设置，所述左支撑连杆的上端和右支撑连杆的上端分别通过转动副与弧形连杆的两端连接，所述承重平台套设在支撑杆上，所述承重平台与第四电机的转轴锥齿轮啮合；所述主动支链包括第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链，所述第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链为并列的RUS支链；所述弧形连杆的中间通过转动副与动平台连接，所述第一主动支链的上端、第二主动支链的上端和第三主动支链的上端分别通过球面副与动平台连接，所述第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链上还分别设有虎克副，所述第一主动支链的下端、第二主动支链的下端和第三主动支链的下端分别与所述第一电机、第二电机和第三电机的转轴连接。

进一步地，所述动平台包括上平台和下平台，所述下平台通过螺旋机构与上平台连接。

进一步地，所述第一主动支链包括依次连接的第一轴承座、第一连杆A、第一U型连接件A、第一连杆B、第一U型连接件B和第一连杆C；所述第一轴承座与下平台固接，所述第一连杆C与第一电机连接；所述第一U型连接件A、第一连杆B、第一连杆A和第一轴承座组成复合球面副，所述第一U型连接件B、第一连杆B和第一连杆C组成虎克副，所述第一连杆C与第一电机组成转动副。

进一步地，所述第二主动支链包括依次连接的第二轴承座、第二连杆A、第二U型连接件A、第二连杆B、第二U型连接件B和第二连杆C；所述第二轴承座与下平台固接，所述第二连杆C与第二电机连接；所述第二U型连接件A与第二连杆B、第二连杆A、第二轴承座组成复合球面副，所述第二U型连接件B与第二连杆B、第二连杆C组成虎克副，所述第二连杆C与第二电机组成转动副。

进一步地，所述第三主动支链包括依次连接的第三轴承座、第三连杆A、第三U型连接件A、第三连杆B、第三U型连接件B和第三连杆C；所述第三轴承座与下平台固接，所述第三连杆C与第三电机连接；所述第三U型连接件A与第三连杆B、第三连杆A、第三轴承座组成复合球面副，所述第三U型连接件B与第三连杆B、第三连杆C组成虎克副，所述第三连杆C与第三电机组成转动副。

进一步地，所述第一电机上连接有第一直角减速器，所述第一连杆C与第一直角减速器连接；所述第二电机上连接有第二直角减速器，所述第二连杆C与第二直角减速器连接；所述第三电机上连接有第三直角减速器，所述第三连杆C与第三直角减速器连接；所述第四电机上连接有第四直角减速器。

进一步地，所述约束支链的承重平台下通过大锥齿轮固定件固装有大锥齿轮。

进一步地，所述第四直角减速器上固装有小锥齿轮，所述小锥齿轮与大锥齿轮直角啮合。

进一步地，所述第一直角减速器、第二直角减速器和第三直角减速器的轴线互成120度。

进一步地，所述第一轴承座、第二轴承座和第三轴承座互成120度。

本发明由于采用了以上技术方案，约束支链与动平台的设计，实现了三个方向自由度的转动，在确保机构尽量简单的前提下，不仅保证了转动中心相互重合，同时由于约束支链轴线的相互正交性，使机构具有运动部分解耦的特性。所提出的冗余驱动布置方案可以消除空间内的奇异位姿和改善刚度等指标，同时还可避免因主动支链的增加而带来的额外干涉以及能量损耗。

下面结合附图对本发明的一种踝关节康复装置做进一步说明。

附图说明

图1为本发明一种踝关节康复装置的总体结构三维示意图；

图2为本发明一种踝关节康复装置的总体机构主视图；

图3为本发明一种踝关节康复装置的动平台示意图；

图4为本发明一种踝关节康复装置的下平台结构俯视图；

图5为本发明一种踝关节康复装置的螺旋机构结构示意图；

图6为本发明一种踝关节康复装置的第一主动支链结构示意图；

图7为本发明一种踝关节康复装置的主动支链与动平台连接的结构示意图；

图8为本发明一种踝关节康复装置的约束支链的结构示意图；

图9为本发明一种踝关节康复装置的基座的结构示意图。

图中各标记如下：1底座，1-1支撑杆，2支撑平台，3-1第一电机，3-2第二电机，3-3第三电机，3-4第四电机，4-1第一直角减速器，4-2第二直角减速器，4-3第三直角减速器，4-4第四直角减速器，5大锥齿轮固定件，6大锥齿轮，7小锥齿轮，8承重平台，9弧形连杆，10-1左支撑连杆，10-2右支撑连杆，11上平台，12下平台，13螺旋机构，14-1第一连杆A，14-2第二连杆A，14-3第三连杆A，15-1第一连杆B，15-2第二连杆B，15-3第三连杆B，16-1第一连杆C，16-2第二连杆C，16-3第三连杆C，17-1第一轴承座，17-2第二轴承座，17-3第三轴承座，18-1第一U型连接件A，18-2第一U型连接件B，18-3第二U型连接件A，18-4第二U型连接件B，18-5第三U型连接件A，18-6第三U型连接件B，19动平台，20主动支链，21约束支链。

具体实施方式

实施例1

如图1-图9所示，一种踝关节康复装置，包括基座、动平台19、主动支链20和约束支链21。所述基座包括底座1和支撑平台2，所述支撑平台2通过支撑杆1-1固定在底座1上；所述底座1上固设有第四电机3-4，所述支撑平台2上固设有第一电机3-1、第二电机3-2和第三电机3-3。所述第一电机3-1上连接有第一直角减速器4-1，所述第二电机3-2上连接有第二直角减速器4-2，所述第三电机3-3上连接有第三直角减速器4-3，所述第四电机3-4上连接有第四直角减速器4-4。

图8为约束支链21示意图，所述约束支链21可转动的设置在基座上，所述约束支链21包括承重平台8、左支撑连杆10-1、右支撑连杆10-2和弧形连杆9，所述承重平台8的两端固设有左支撑连杆10-1和右支撑连杆10-2，所述左支撑连杆10-1和右支撑连杆10-2呈匹配对称设置，所述左支撑连杆10-1的上端和右支撑连杆10-2的上端分别通过转动副与弧形连杆9的两端连接，所述承重平台8套设在支撑杆1-1上，所述承重平台8下通过大锥齿轮固定件5固装有大锥齿轮6。

如图9所示，所述第四直角减速器4-4上固装有小锥齿轮7，所述小锥齿轮7与大锥齿轮6直角啮合。

如图3、图4和图5所示，所述动平台19包括上平台11和下平台12，所述下平台12通过螺旋机构13与上平台11连接。所述弧形连杆9的中间通过转动副与下平台12连接。

如图6和图7所示，所述主动支链20包括第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链，所述第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链为并列的RUS支链。

所述第一主动支链包括依次连接的第一轴承座17-1、第一连杆A14-1、第一U型连接件A18-1、第一连杆B15-1、第一U型连接件B18-2和第一连杆C16-1；所述第一轴承座17-1与下平台12固接，所述第一连杆C16-1与第一电机3-1连接；所述第一U型连接件A18-1、第一连杆B15-1、第一连杆A14-1和第一轴承座17-1组成复合球面副，所述第一U型连接件B18-2、第一连杆B15-1和第一连杆C16-1组成虎克副，所述第一连杆C16-1与第一电机3-1组成转动副。

所述第二主动支链包括依次连接的第二轴承座17-2、第二连杆A14-2、第二U型连接件A18-3、第二连杆B15-2、第二U型连接件B18-4和第二连杆C16-2；所述第二轴承座17-2与下平台12固接，所述第二连杆C16-2与第二电机3-2连接；所述第二U型连接件A18-3与第二连杆B15-2、第二连杆A14-2、第二轴承座17-2组成复合球面副，所述第二U型连接件B18-4与第二连杆B15-2、第二连杆C16-2组成虎克副，所述第二连杆C16-2与第二电机3-2组成转动副。

所述第三主动支链包括依次连接的第三轴承座17-3、第三连杆A14-3、第三U型连接件A18-5、第三连杆B15-3、第三U型连接件B18-6和第三连杆C16-3；所述第三轴承座17-3与下平台12固接，所述第三连杆C16-3与第三电机3-3连接；所述第三U型连接件A18-5与第三连杆B15-3、第三连杆A14-3、第三轴承座17-3组成复合球面副，所述第三U型连接件B18-6与第三连杆B15-3、第三连杆C16-3组成虎克副，所述第三连杆C16-3与第三电机3-3组成转动副。

所述第一主动支链的上端、第二主动支链的上端和第三主动支链的上端分别通过球面副与下平台12连接，所述第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链上还分别设有虎克副，所述第一主动支链的下端、第二主动支链的下端和第三主动支链的下端分别与所述第一电机3-1、第二电机3-2和第三电机3-3的转轴连接。

如图9所示，所述第一电机3-1上连接有第一直角减速器4-1，所述第一连杆C16-1与第一直角减速器4-1连接；所述第二电机3-2上连接有第二直角减速器4-2，所述第二连杆C16-2与第二直角减速器4-2连接；所述第三电机3-3上连接有第三直角减速器4-3，所述第三连杆C16-3与第三直角减速器4-3连接；所述第四电机3-4上连接有第四直角减速器4-4。

所述第一直角减速器4-1、第二直角减速器4-2和第三直角减速器4-3的轴线互成120度。

所述第一轴承座17-1、第二轴承座17-2和第三轴承座17-3互成120度。

在使用过程中，当患者进行康复训练时，首先将脚放在上平台11上，并将踝骨对准连接弧形连杆9和支撑连杆10-1、10-2的转动副的轴线上，还可通过螺旋机构13改变上平台11与下平台12的相对距离，以调整脚底到机构转动中心的距离，从而保证踝关节与机构的转动中心相重合。

由于约束支链21限制了动平台19的空间移动，在主动支链20上的第一电机3-1、第二电机3-2和第三电机3-3以及约束支链21上的第四电机3-4的共同作用下，该装置可以实现如图8所示X轴、Y轴和Z轴三个方向自由的转动，即踝关节的背屈/跖屈，内翻/外翻，内旋/外旋三个方向，能够有效地对踝关节实现各个阶段的康复训练。

实施例2

实施例2与实施例1的结构是相同的，所不同的是，第四电机3-4通过抱闸等方法实现自锁，即第四直角减速器4-4和小锥齿轮7失去动力不再转动，则大锥齿轮6不再转动，承重平台8与基座没有了相对转动，即限制了约束支链21绕Z轴转动的自由度；此时，由第一电机3-1、第二电机3-2和第三电机3-3通过主动支链20进行驱动，该装置仅可实现如图8所示X轴和Y轴的两方向的自由度转动，即踝关节的背屈/跖屈，内翻/外翻两个方向，可以选择性的对踝关节进行康复训练。

以上所述的实施例仅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 (9)

1.一种踝关节康复装置，其特征在于：包括基座、动平台（19）、主动支链（20）和约束支链（21）；

所述基座包括底座（1）和支撑平台（2），所述支撑平台（2）通过支撑杆（1-1）固定在底座（1）上；所述底座（1）上固设有第四电机（3-4），所述支撑平台（2）上固设有第一电机（3-1）、第二电机（3-2）和第三电机（3-3）；

所述约束支链（21）可转动的设置在基座上，所述约束支链（21）包括承重平台（8）、左支撑连杆（10-1）、右支撑连杆（10-2）和弧形连杆（9），所述承重平台（8）的两端固设有左支撑连杆（10-1）和右支撑连杆（10-2），所述左支撑连杆（10-1）和右支撑连杆（10-2）呈匹配对称设置，所述左支撑连杆（10-1）的上端和右支撑连杆（10-2）的上端分别通过转动副与弧形连杆（9）的两端连接，所述承重平台（8）套设在支撑杆（1-1）上，所述承重平台（8）与第四电机（3-4）的转轴锥齿轮啮合；

所述主动支链（20）包括第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链，所述第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链为并列的RUS支链；

所述弧形连杆（9）的中间通过转动副与动平台（19）连接，所述第一主动支链的上端、第二主动支链的上端和第三主动支链的上端分别通过球面副与动平台（19）连接，所述第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链上还分别设有虎克副，所述第一主动支链的下端、第二主动支链的下端和第三主动支链的下端分别与所述第一电机（3-1）、第二电机（3-2）和第三电机（3-3）的转轴连接。

2.根据权利要求1所述的一种踝关节康复装置，其特征在于：所述动平台（19）包括上平台（11）和下平台（12），所述下平台（12）通过螺旋机构（13）与上平台（11）连接。

3.根据权利要求1所述的一种踝关节康复装置，其特征在于：所述第一主动支链包括依次连接的第一轴承座（17-1）、第一连杆A（14-1）、第一U型连接件A（18-1）、第一连杆B（15-1）、第一U型连接件B（18-2）和第一连杆C（16-1）；所述第一轴承座（17-1）与下平台（12）固接，所述第一连杆C（16-1）与第一电机（3-1）连接；

所述第一U型连接件A（18-1）、第一连杆B（15-1）、第一连杆A（14-1）和第一轴承座（17-1）组成复合球面副，所述第一U型连接件B（18-2）、第一连杆B（15-1）和第一连杆C（16-1）组成虎克副，所述第一连杆C（16-1）与第一电机（3-1）组成转动副。

4.根据权利要求3所述的一种踝关节康复装置，其特征在于：所述第二主动支链包括依次连接的第二轴承座（17-2）、第二连杆A（14-2）、第二U型连接件A（18-3）、第二连杆B（15-2）、第二U型连接件B（18-4）和第二连杆C（16-2）；所述第二轴承座（17-2）与下平台（12）固接，所述第二连杆C（16-2）与第二电机（3-2）连接；

所述第二U型连接件A（18-3）与第二连杆B（15-2）、第二连杆A（14-2）、第二轴承座（17-2）组成复合球面副，所述第二U型连接件B（18-4）与第二连杆B（15-2）、第二连杆C（16-2）组成虎克副，所述第二连杆C（16-2）与第二电机（3-2）组成转动副。

5.根据权利要求4所述的一种踝关节康复装置，其特征在于：所述第三主动支链包括依次连接的第三轴承座（17-3）、第三连杆A（14-3）、第三U型连接件A（18-5）、第三连杆B（15-3）、第三U型连接件B（18-6）和第三连杆C（16-3）；所述第三轴承座（17-3）与下平台（12）固接，所述第三连杆C（16-3）与第三电机（3-3）连接；

所述第三U型连接件A（18-5）与第三连杆B（15-3）、第三连杆A（14-3）、第三轴承座（17-3）组成复合球面副，所述第三U型连接件B（18-6）与第三连杆B（15-3）、第三连杆C（16-3）组成虎克副，所述第三连杆C（16-3）与第三电机（3-3）组成转动副。

6.根据权利要求5所述的一种踝关节康复装置，其特征在于：所述第一电机（3-1）上连接有第一直角减速器（4-1），所述第一连杆C（16-1）与第一直角减速器（4-1）连接；所述第二电机（3-2）上连接有第二直角减速器（4-2），所述第二连杆C（16-2）与第二直角减速器（4-2）连接；所述第三电机（3-3）上连接有第三直角减速器（4-3），所述第三连杆C（16-3）与第三直角减速器（4-3）连接；所述第四电机（3-4）上连接有第四直角减速器（4-4）。

7.根据权利要求6所述的一种踝关节康复装置，其特征在于：所述约束支链（21）的承重平台（8）下通过大锥齿轮固定件（5）固装有大锥齿轮（6）。

8.根据权利要求7所述的一种踝关节康复装置，其特征在于：所述第四直角减速器（4-4）上固装有小锥齿轮（7），所述小锥齿轮（7）与大锥齿轮（6）直角啮合。

9.根据权利要求8所述的一种踝关节康复装置，其特征在于：所述第一直角减速器（4-1）、第二直角减速器（4-2）和第三直角减速器（4-3）的轴线互成120度。