CN105943306A - 一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置 - Google Patents

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Abstract

一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，在底部固定平台和动平台之间设置有中间架，动平台的底面铰接有上部活动架，中间架的底部通过中间架底座固定在底部固定平台的中部，中间架的内部设置有弹性中间支撑机构，弹性中间支撑机构的底端固定在中间架的中间架底座上，弹性中间支撑机构的顶部伸出中间架的上端口与铰接在动平台底面上的上部活动架铰接连接，中间架的前侧面和后侧面上各设置有一组与动平台底面上的上部活动架相铰接的第一驱动机构，中间架的左侧面和右侧面各设置一组与动平台底面固定连接的第二驱动机构。本发明在确保机构尽量简单和紧凑的前提下，保证了两个方向的转动和一个方向的移动等三个自由度，能够实现踝关节多自由度的复杂运动。

Description

一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置
技术领域
本发明涉及一种踝关节康复医疗器械。特别是涉及一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置。
背景技术
随着经济的发展，人口老龄化的加重以及汽车等交通工具的广泛使用，越来越多的人因疾病、交通事故和意外等导致关节和肌肉损伤，而脚踝关节损伤又是其中最常见的损伤之一。踝关节是人体骨骼中最复杂的骨骼结构，它具有背屈/跖屈、内翻/外翻和内收/外展运动。在康复治疗时，背屈/跖屈和内翻/外翻运动对脚踝的康复起主要作用。
目前，大多数踝关节康复装置采取刚性驱动机构作为驱动动力，如电机和直线马达等，这种采用刚性驱动器的装置容易导致病人在康复过程中感觉到不适甚至疼痛，不利于病人的康复；同时，现有的踝关节康复装置通常少于三个自由度，结构简单，康复训练模式单一，不能满足患者的实际需求。
专利CN200810052248.7中公开的一种踝关节康复机器人采用的是电机驱动，由固定底座、三条R-S-S支链、中心约束球铰以及上部运动平台组成。机器人结构简单，承载能力强，能够完成踝关节三个自由度方向的运动。另外，专利CN201310421566.7中也公开了一种踝关节康复装置。但上述两种装置存在同样一个问题，即采取刚性驱动机构作为驱动动力，这样容易导致患者在康复过程中感到不适甚至疼痛；专利CN201310012691.2中公开了“气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人”，但该装置结构简单，只有两个自由度，难以实现踝关节多个自由度的复杂运动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以实现踝关节的背屈/跖屈、内翻/外翻两个方向的转动和垂直于地面方向的上下移动，能够提供主动驱动帮助患者进行康复训练的气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置。
本发明所采用的技术方案是：一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，包括有位于底部的底部固定平台和位于顶部的用于支撑进行康复的脚部的动平台，其特征在于，所述动平台的底面铰接有上部活动架，所述的底部固定平台和动平台之间设置有矩形筒结构的中间架，所述中间架的底部通过中间架底座固定在所述底部固定平台的中部，所述中间架的内部设置有用于支撑动平台的弹性中间支撑机构，所述弹性中间支撑机构的底端固定在所述中间架的中间架底座上，所述弹性中间支撑机构的顶部伸出所述中间架的上端口与铰接在动平台底面上的上部活动架铰接连接，所述中间架的前侧面和后侧面上相对称的各设置有结构完全相同的一组与所述动平台底面上的上部活动架相铰接的用于驱动所述动平台前、后翻转的第一驱动机构，所述中间架的左侧面和右侧面相对称的各设置有结构完全相同的一组与所述动平台底面固定连接的用于驱动所述动平台左、右翻转的第二驱动机构。
本发明的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，在确保机构尽量简单和紧凑的前提下，保证了两个方向的转动和一个方向的移动等三个自由度，能够实现踝关节多自由度的复杂运动，如可以实现踝关节的背屈/跖屈、内翻/外翻两个方向的转动和垂直于地面方向的上下移动，能够提供主动驱动帮助患者进行康复训练，使得康复训练模式多样化。由于采用气动肌肉作为驱动动力机构，解决了刚性驱动存在的问题，提高了康复训练给患者带来的舒适度。
附图说明
图1是本发明气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置正面结构的整体结构示意图；
图2是本发明气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置侧面结构的整体结构示意图；
图3是本发明中动平台底面的结构示意图；
图4是本发明中弹性中间支撑机构的结构示意图；
图5是本发明中第一驱动机构的结构示意图；
图6是本发明第一驱动机构中第一驱动支链的结构示意图；
图7是本发明第二驱动机构中第二驱动支链的结构示意图。
图中
1：底部固定平台 2：第二驱动机构
2－1：第二位移传感器 2－2：第三气动肌肉
2－3：第二连接板 2－4：第二球轴承安装座
2－5：滑块 2－6：第二双轨滑道
2－7：第二驱动支链 2－8：下部关节球轴承
2－9：第二驱动杆 2－10：上部关节球轴承
3：弹性中间支撑机构 3－1：弹簧下端固定件
3－2：弹簧 3－3：弹簧上端固定件
3－4：导向键 3－5：套筒
3－6：套筒上端固定件 3－7：贯通槽
4：动平台 4－1：轴承座
4－2：第一球轴承安装座 5：上部活动架
5－1：活动架 5－2：第二关节轴承
5－3：中间关节轴承 5－4：第三关节轴承
6：中间架 6－1：中间架底座
7：第一驱动机构 7－1：下端定滑轮组
7－2：第一支撑板 7－3：第一位移传感器
7－4：关节轴承安装座 7－5：第一气动肌肉
7－6：第一连接板 7－7：钢丝绳
7－8：上端定滑轮组 7－9：第二支撑板
7－10：第二气动肌肉 7－11：第一双轨滑道
7－12：第一驱动支链 7－13：第一驱动杆
7－14：下部关节轴承
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置做出详细说明。
如图1、图2所示，本发明的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，包括有位于底部的底部固定平台1和位于顶部的用于支撑进行康复的脚部的动平台4，所述动平台4的底面铰接有上部活动架5，所述的底部固定平台1和动平台4之间设置有矩形筒结构的中间架6，所述中间架6的底部通过中间架底座6-1固定在所述底部固定平台1的中部，所述中间架6的内部设置有用于支撑动平台4的弹性中间支撑机构3，所述弹性中间支撑机构3的底端固定在所述中间架6的中间架底座6-1上，所述弹性中间支撑机构3的顶部伸出所述中间架6的上端口与铰接在动平台4底面上的上部活动架5铰接连接，所述中间架6的前侧面和后侧面上相对称的各设置有结构完全相同的一组与所述动平台4底面上的上部活动架5相铰接的用于驱动所述动平台4前、后翻转的第一驱动机构7，所述中间架6的左侧面和右侧面相对称的各设置有结构完全相同的一组与所述动平台4底面固定连接的用于驱动所述动平台4左、右翻转的第二驱动机构2。所述第一驱动机构7和第二驱动机构2构成本发明的驱动机构。
如图3所示，所述的动平台4底端面上位于所述上部活动架5的两侧相对称的设置两个用于连接第二驱动机构2的第一球轴承安装座4－2。
如图3所示，所述的上部活动架5包括通过两个对称设置在动平台4底端面上的两个轴承座4－1铰接在所述动平台4底端面上的活动架5－1，所述的活动架5－1为长方形的环状结构，所述的活动架5－1上分别铰接有位于中部的用于连接弹性中间支撑机构3的中间关节轴承5－3，位于中间关节轴承5－3两侧的用于连接分别位于中间架6前侧面和后侧面上的第一驱动机构7的第二关节轴承5－2和第三关节轴承5－4。
如图4所示，所述的弹性中间支撑机构3包括套筒3－5，所述套筒3－5的底端通过弹簧上端固定件3－3连接弹簧3－2的上端，所述弹簧3－2的下端通过弹簧下端固定件3－1固定在所述中间架6的中间架底座6-1上，所述套筒3－5的顶端通过套筒上端固定件3－6固定连接上部活动架5中的中间关节轴承5－3。
所述的套筒3－5上在相对应的两侧壁上沿轴向对称各开有一个贯通槽3－7，每一个所述的贯通槽3－7内都***有在套筒3－5上、下移动时对所述的套筒3－5进行导向的导向键3－4的一端，所述导向键3－4的另一端固定连接在所对应的中间架6的内侧壁上。
如图1、图5所示，所述的第一驱动机构7包括有第一气动肌肉7－5、第二气动肌肉7－10和第一驱动支链7－12，所述第一气动肌肉7－5与第二气动肌肉7－10反向设置，所述第一气动肌肉7－5的固定端通过第一支撑板7－2固定连接在所述中间架6的下部分，所述第二气动肌肉7－10的固定端通过第二支撑板7－9固定连接在所述中间架6的上部分，所述中间架6的中部固定有第一双轨滑道7－11，所述第一双轨滑道7－11上设置有能够沿第一双轨滑道7－11上、下移动的关节轴承安装座7－4，在所述关节轴承安装座7－4上沿轴向固定连接有钢丝绳7－7，所述钢丝绳7－7的上端头通过设置在所述中间架6上部的上端定滑轮组7－8连接所述第一气动肌肉7－5的驱动端，所述钢丝绳7－7的下端头通过设置在所述中间架6下部的下端定滑轮组7－1连接所述第二气动肌肉7－10的驱动端，所述第一驱动支链7－12的下端铰接在所述关节轴承安装座7－4上，所述第一驱动支链7－12的上端固定连接上部活动架5中的第二关节轴承5－2或第三关节轴承5－4。
如图6所示，所述的第一驱动支链7－12包括第一驱动杆7－13，所述第一驱动杆7－13的上端固定连接上部活动架5中的第二关节轴承5－2或第三关节轴承5－4，所述第一驱动杆7－13的下端连接有下部关节轴承7－14的一端，所述下部关节轴承7－14的另一端铰接在所述关节轴承安装座7－4上。
如图1、图5所示，所述的第一驱动机构7还包括有第一位移传感器7－3，所述第一位移传感器7－3的底端固定在所述第一支撑板7－2上，所述第一位移传感器7－3的活动端通过第一连接板7－6固定连接所述第一气动肌肉7－5的驱动端。
如图1所示，所述的第二驱动机构2包括有第三气动肌肉2－2和第二驱动支链2－7，所述第三气动肌肉2－2的固定端固定连接在所述中间架6的中间架底座6-1上，所述中间架6的上部设置有第二双轨滑道2－6，所述第二双轨滑道2－6上设置有滑块2－5，所述滑块2－5上固定设置有第二球轴承安装座2－4所述第三气动肌肉2－2的驱动端通过钢丝绳连接所述滑块2－5或第二球轴承安装座2－4的下端，所述第二驱动支链2－7的上端连接动平台4底端面上的第一球轴承安装座4－2，所述第二驱动支链2－7的下端连接所述第二球轴承安装座2－4，还设置有第二位移传感器2－1，所述第二位移传感器2－1的底端固定在所述中间架6的中间架底座6-1上，所述第二位移传感器2－1的活动端通过第二连接板2－3与所述第三气动肌肉2－2的驱动端固定连接。
如图7所示，所述的第二驱动支链2－7包括第二驱动杆2－9，所述第二驱动杆2－9的上端固定连接有上部关节球轴承2－10，所述上部关节球轴承2－10上的连接销固定连接动平台4底端面上的第一球轴承安装座4－2，所述第二驱动杆2－9的下端固定连接有下部关节球轴承2－8，所述下部关节球轴承2－8上的连接销固定连接所述第二球轴承安装座2－4。
在本发明的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置使用过程中，将患者的脚固定在动平台(1)上，通过控制6根气动肌肉进行柔性驱动可实现X轴和Y轴两个方向自由的转动以及Z轴方向的移动，以实现踝关节多个自由度的复杂运动，适用于在各类复杂训练模式下对踝关节进行协调训练。
本发明的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，通过将传统机器人的刚性驱动器替换为柔性的气动肌肉，其与三自由度并联机构相结合将同时具有两种***的优点，既有并联机构的高刚度、高响应、无累积误差的优点，又具有较好的柔顺性,安全,无污染，非常适合在人机交互的环境下工作。
以上所述的具体实施方式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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，包括有位于底部的底部固定平台(1)和位于顶部的用于支撑进行康复的脚部的动平台(4)，其特征在于，所述动平台(4)的底面铰接有上部活动架(5)，所述的底部固定平台(1)和动平台(4)之间设置有矩形筒结构的中间架(6)，所述中间架(6)的底部通过中间架底座(6-1)固定在所述底部固定平台(1)的中部，所述中间架(6)的内部设置有用于支撑动平台(4)的弹性中间支撑机构(3)，所述弹性中间支撑机构(3)的底端固定在所述中间架(6)的中间架底座(6-1)上，所述弹性中间支撑机构(3)的顶部伸出所述中间架(6)的上端口与铰接在动平台(4)底面上的上部活动架(5)铰接连接，所述中间架(6)的前侧面和后侧面上相对称的各设置有结构完全相同的一组与所述动平台(4)底面上的上部活动架(5)相铰接的用于驱动所述动平台(4)前、后翻转的第一驱动机构(7)，所述中间架(6)的左侧面和右侧面相对称的各设置有结构完全相同的一组与所述动平台(4)底面固定连接的用于驱动所述动平台(4)左、右翻转的第二驱动机构(2)。
2.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，其特征在于，所述的动平台(4)底端面上位于所述上部活动架(5)的两侧相对称的设置两个用于连接第二驱动机构(2)的第一球轴承安装座(4－2)。
3.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，其特征在于，所述的上部活动架(5)包括通过两个对称设置在动平台(4)底端面上的两个轴承座(4－1)铰接在所述动平台(4)底端面上的活动架(5－1)，所述的活动架(5－1)为长方形的环状结构，所述的活动架(5－1)上分别铰接有位于中部的用于连接弹性中间支撑机构(3)的中间关节轴承(5－3)，位于中间关节轴承(5－3)两侧的用于连接分别位于中间架(6)前侧面和后侧面上的第一驱动机构(7)的第二关节轴承(5－2)和第三关节轴承(5－4)。
4.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，其特征在于，所述的弹性中间支撑机构(3)包括套筒(3－5)，所述套筒(3－5)的底端通过弹簧上端固定件(3－3)连接弹簧(3－2)的上端，所述弹簧(3－2)的下端通过弹簧下端固定件(3－1)固定在所述中间架(6)的中间架底座(6-1)上，所述套筒(3－5)的顶端通过套筒上端固定件(3－6)固定连接上部活动架(5)中的中间关节轴承(5－3)。
5.根据权利要求4所述的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，其特征在于，所述的套筒(3－5)上在相对应的两侧壁上沿轴向对称各开有一个贯通槽(3－7)，每一个所述的贯通槽(3－7)内都***有在套筒(3－5)上、下移动时对所述的套筒(3－5)进行导向的导向键(3－4)的一端，所述导向键(3－4)的另一端固定连接在所对应的中间架(6)的内侧壁上。
6.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，其特征在于，所述的第一驱动机构(7)包括有第一气动肌肉(7－5)、第二气动肌肉(7－10)和第一驱动支链(7－12)，所述第一气动肌肉(7－5)与第二气动肌肉(7－10)反向设置，所述第一气动肌肉(7－5)的固定端通过第一支撑板(7－2)固定连接在所述中间架(6)的下部分，所述第二气动肌肉(7－10)的固定端通过第二支撑板(7－9)固定连接在所述中间架(6)的上部分，所述中间架(6)的中部固定有第一双轨滑道(7－11)，所述第一双轨滑道(7－11)上设置有能够沿第一双轨滑道(7－11)上、下移动的关节轴承安装座(7－4)，在所述关节轴承安装座(7－4)上沿轴向固定连接有钢丝绳(7－7)，所述钢丝绳(7－7)的上端头通过设置在所述中间架(6)上部的上端定滑轮组(7－8)连接所述第一气动肌肉(7－5)的驱动端，所述钢丝绳(7－7)的下端头通过设置在所述中间架(6)下部的下端定滑轮组(7－1)连接所述第二气动肌肉(7－10)的驱动端，所述第一驱动支链(7－12)的下端铰接在所述关节轴承安装座(7－4)上，所述第一驱动支链(7－12)的上端固定连接上部活动架(5)中的第二关节轴承(5－2)或第三关节轴承(5－4)。
7.根据权利要求6所述的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，其特征在于，所述的第一驱动支链(7－12)包括第一驱动杆(7－13)，所述第一驱动杆(7－13)的上端固定连接上部活动架(5)中的第二关节轴承(5－2)或第三关节轴承(5－4)，所述第一驱动杆(7－13)的下端连接有下部关节轴承(7－14)的一端，所述下部关节轴承(7－14)的另一端铰接在所述关节轴承安装座(7－4)上。
8.根据权利要求6所述的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，其特征在于，所述的第一驱动机构(7)还包括有第一位移传感器(7－3)，所述第一位移传感器(7－3)的底端固定在所述第一支撑板(7－2)上，所述第一位移传感器(7－3)的活动端通过第一连接板(7－6)固定连接所述第一气动肌肉(7－5)的驱动端。
9.根据权利要求6所述的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，其特征在于，所述的第二驱动机构(2)包括有第三气动肌肉(2－2)和第二驱动支链(2－7)，所述第三气动肌肉(2－2)的固定端固定连接在所述中间架(6)的中间架底座(6-1)上，所述中间架(6)的上部设置有第二双轨滑道(2－6)，所述第二双轨滑道(2－6)上设置有滑块(2－5)，所述滑块(2－5)上固定设置有第二球轴承安装座(2－4)，所述第三气动肌肉(2－2)的驱动端通过钢丝绳连接所述滑块(2－5)或第二球轴承安装座(2－4)的下端，所述第二驱动支链(2－7)的上端连接动平台(4)底端面上的第一球轴承安装座(4－2)，所述第二驱动支链(2－7)的下端连接所述第二球轴承安装座(2－4)，还设置有第二位移传感器(2－1)，所述第二位移传感器(2－1)的底端固定在所述中间架(6)的中间架底座(6-1)上，所述第二位移传感器(2－1)的活动端通过第二连接板(2－3)与所述第三气动肌肉(2－2)的驱动端固定连接。
10.根据权利要求9所述的一种气动肌肉驱动的三自由度踝关节康复装置，其特征在于，所述的第二驱动支链(2－7)包括第二驱动杆(2－9)，所述第二驱动杆(2－9)的上端固定连接有上部关节球轴承(2－10)，所述上部关节球轴承(2－10)上的连接销固定连接动平台(4)底端面上的第一轴承座(4－2)，所述第二驱动杆(2－9)的下端固定连接有下部关节球轴承(2－8)，所述下部关节球轴承(2－8)上的连接销固定连接所述第二球轴承安装座(2－4)。
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