CN114652574A - 面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人，包括底座，转台，踏板调节装置，脚踏板以及可拆卸支链。所述底座与转台通过轴承转动连接形成转动副，该转台通过固定在底座上的驱动器驱动。所述转台与踏板调节装置之间均布三条具有相同拓扑结构但尺寸略有不同的驱动支链。所述踏板调节装置与所述脚踏板固连。所述转台和所述踏板调节装置上，分别预留安装孔，用来安装/拆除所述可拆卸支链。本发明在遵循踝关节康复机器人设计的生物学兼容原则的基础上，以更加符合踝关节复合体生理结构的RR模型取代过度简化的球铰模型，具备绕空间不相交两轴转动相互切换的能力，使本发明满足踝关节骨折康复训练的需求。
Description
技术领域
本发明涉及踝关节骨折康复领域，特别是涉及面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人。
背景技术
踝关节骨折因其多发的骨折诱因，复杂的骨折形势以及居高的发病率，一直是我国骨科领域备受关注的重点和难点。现阶段术后康复方式多为遵医嘱居家自行康复训练，康复不当极易造成永久性并发症甚至二次损伤。采用踝关节康复机器人辅助患者康复训练可以实现长时间、重复性、有针对性的训练，能够达到较好的康复效果。
目前设计和研究的踝关节康复机器人多采用并联机构，这是由于并联机构固有的高刚度的特性以及符合踝关节本身的运动特征。如专利CN105105970A公开的一种柔性驱动的踝关节康复机器人，将踝关节简化为一个球铰链，满足踝关节三个自由度的运动能力，然而柔性驱动方式控制精度不高，难以适用于术后运动能力受限且要求运动精度的骨折患者的康复锻炼。专利CN110840707A公开的一种踝关节康复机器人，包括两个无约束的驱动支链和一个两转动的恰约束支链，同样将踝关节简化为球铰链，并提供康复训练常用的两个自由度，具有结构简单，控制精度高的优点，然而踝关节复合体本身结构负责，简化为球铰链可能满足中风(脑卒中)等神经损伤的康复，对于踝关节骨折这种关节本体结构发生损坏的康复训练属于过度简化。
发明内容
本发明的目的在于提供面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人，在满足踝关节康复训练能力的同时，使康复机器人的运动方式更加符合踝关节生理结构。
本发明是通过以下技术方案实现：
本发明的面向踝关节骨折的康复机器人，包括底座，转台，踏板调节装置，脚踏板以及可拆卸支链。所述底座与转台通过轴承转动连接形成转动副，该转台通过固定在底座上的驱动器驱动。所述转台与踏板调节装置之间均布三条具有相同拓扑结构但尺寸略有不同的驱动支链。所述踏板调节装置与所述脚踏板固连。所述转台和所述踏板调节装置上，分别预留安装孔，用来安装/拆除所述可拆卸支链。
所述驱动支链包括驱动杆、弧形连接杆以及虎克铰链。所述的驱动杆一端与所述下平台转动连接形成转动副，另一端与所述弧形连接杆一端转动连接形成转动副，所述弧形连接杆另一端与虎克铰一端通过两个螺栓固连，所述虎克铰链另一端销轴与踏板调节装置通过轴承转动连接形成转动副，所述虎克铰链具有十字轴结构，使虎克铰链两端之间具有两个转动自由度。
所述踏板调节装置包括滑动平台以及三个结构相同的滑轨，所述滑动平台上的三个滑道分支与所述三个滑轨固连，所述每个滑轨的滑块均有锁紧装置，可以通过锁紧装置锁死该滑轨。所述三个结构相同的滑块分别与所述三个驱动支链相连。
所述脚踏板包括踏板、靠板以及六维力传感器；所述踏板通过六维力传感器与所述滑动平台固连，所述靠板通过两对螺柱和蝶形螺母与踏板连接，该靠板可在所述踏板的滑动槽内移动，并通过所述蝶形螺母锁死，用于调整人脚的踩踏位置。
所述可拆卸支链，包括轴套和滑杆，所述轴套和所述滑杆组成一移动副，并且所述轴套上包含一锁紧装置可以锁死该移动副。在执行康复训练时，所述可拆卸调节支链处于拆除状态。在执行踏板调节功能时，安装所述可拆卸支链参与调节，安装时将所述轴套与转台固连，所述滑杆与脚踏板固连。
一种应用于面向踝关节骨折的康复机器人的使用方法，步骤如下：
当进行康复训练前，安装所述可拆卸支链，锁紧所述可拆卸支链，患者将脚放在脚踏板上方，调整所述靠板使踝关节中心与所述转台转动中心重合，锁定靠板；松开所述踏板调节装置的滑轨，调整机构运动中心与踝关节运动轴重合，锁死所述踏板调节装置的滑轨，拆除所述可拆卸支链；
规划机器人绕踝关节运动转轴，进行背屈/跖屈康复训练，至踝关节能够达到健康运动范围；
安装所述可拆卸支链，锁紧所述可拆卸支链，松开所述踏板调节装置的滑轨，调整机构运动中心与距下关节运动轴重合，锁死所述踏板调节装置的滑轨，拆除所述可拆卸支链；
规划机器人绕距下关节运动转轴，进行内翻/外翻康复训练，至踝关节能够达到健康运动范围。
本发明的有益效果是：在遵循踝关节康复机器人设计的生物学兼容原则的基础上，以更加符合踝关节复合体生理结构的RR模型取代过度简化的球铰模型，具备绕空间不相交两轴转动相互切换的能力，使本发明满足踝关节骨折康复训练的需求。除此之外，所提出的康复机器人较其他采用非球铰模型的康复机器人具有机构和运动学描述简单的优点，且能够实时采集康复过程人机交互力，对于后期康复机器人的临床应用具有较大的意义。
附图说明
图1是本发明采用的踝关节复合体模型示意图；
图2是本发明的面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人本体结构示意图；
图3是图2所示康复机器人的一条驱动支链的结构示意图；
图4是图2所示康复机器人的踏板调节装置结构示意图；
图5是图2所示康复机器人的脚踏板的结构示意图；
图6是图2所示康复机器人的可拆卸支链的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
图1展示了本发明的面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人所遵循的踝关节复合体生理结构示意图。踝关节复合体包括踝关节和距下关节两个部分，它们共同完成踝关节三个方向的转动，即背屈/跖屈、内翻/外翻以及内旋/外旋运动。踝关节骨折术后康复训练主要为绕踝关节轴01的背屈/跖屈训练，康复的中后期可进行绕距下关节轴02的内翻/外翻训练。所述踝关节轴01和距下关节轴02为空间不相交直线，其位姿信息可由已公开的大量解剖学试验获得。因此，所述康复机器人结构设计为能够实现包含踝关节复合体的全部自由度。
图2为本发明的面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人本体结构示意图，包括底座1，转台2，踏板调节装置6以及脚踏板7。所述转台2与踏板调节装置7之间均布三条具有相同拓扑结构但尺寸略有不同的驱动支链3、4、5。所述踏板调节装置6与所述脚踏板7固连。所述转台2与底座1通过轴承形成转动副201，且通过固定于所述底座1的驱动器驱动。
所述的一个驱动支链4的结构示意图如图3所示，驱动杆301的一端与转台2连接形成转动副202，并由固定于转台2上的驱动器驱动，另一端与弧形连接杆302的一端连接形成转动副203。所述弧形连接杆302另一端与虎克铰链303一端通过两对螺杆和螺母固连。所述虎克铰链303另一端销轴与轴承304连接，并通过驱动支链锁紧螺母305固定。所述虎克铰链303具有十字轴结构，使虎克铰链两端之间具有两个转动自由度。所述轴承304与所述踏板调节装置6连接，形成转动副205。所述虎克铰链303与所述转动副305组合成为一个球副。
所述踏板调节装置6的结构示意图如图4所示，滑动平台401与三个结构相同的滑轨402固连，每个滑轨上各连接一个可锁紧滑块403构成移动副206，可以通过调节所述可锁紧滑块403锁死或松开移动副206。所述可锁紧滑块403与支链连接件404固连。所述支链连接件404分别与驱动支链3,4,5的轴承304相连。所述滑动平台401的三个分支顶部分别固定三个限位块405，用来限制滑块403的行程。
所述脚踏板7的结构示意图如图5所示，六维力传感器501底面与滑动平台401固连，另一面与踏板502固连。所述踏板502上通过两对螺柱504和蝶形螺母505与靠板503连接。所述靠板可以在所述踏板502的滑动槽内移动，并通过所述蝶形螺母505锁死，用于调整患者的踩踏位置。踏板502前端开有两个绑带槽506，用来通过绑带将患者脚部与踏板502固定。
所述可拆卸支链如图6所示，包括轴套601，滑杆602，锁紧块603和锁紧螺钉604。轴套601和滑杆602组成移动副207，必要时可通过旋转锁紧螺钉604推动锁紧滑块603与滑杆602接触，靠摩擦力锁死该移动副。在执行康复训练时，拆除所述可拆卸调节支链；在执行踏板调节功能时，安装所述可拆卸支链参与调节，安装时将所述轴套601与转台2固连，所述滑杆602与滑动平台401固连。
本发明所述的面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人的动平台(脚踏板7)可以实现空间上沿图2所示z轴的移动和绕x，y，z轴的转动。在进行踝关节骨折术后的康复训练时，三个转动自由度可以拟合绕空间任意轴的转动，以模拟图1所示的绕所述踝关节轴01的背屈/跖屈训练和绕所述距下关节轴02的内翻/外翻训练。通过结合所述可拆卸支链和所述踏板调节装置来实现所述踝关节轴01和距下关节轴02的切换。本发明较其他采用非球铰模型的康复机器人具有机构和运动学描述简单的优点，便于后续的控制及临床应用。除此之外，所提出的康复机器人具备人机交互力/力矩的实时采集功能，能够进行进一步的主动力控制。
上述面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人的使用方法，步骤如下：
进行康复训练前，安装所述可拆支链，旋转锁紧螺钉604锁死移动副207。患者将脚放在所述脚踏板7上，调整所述靠板503使踝关节中心与所述转台2转动中心重合，调节所述蝶形螺母锁死靠板503，调节所述可锁紧滑块403松开所述移动副206，驱动电机调整机构运动中心与所述踝关节轴01重合，然后锁死所述移动副206，松开所述移动副207，拆除所述可拆卸支链；
进行康复训练时，规划机器人绕所述踝关节运动轴01，进行背屈/跖屈康复训练，至踝关节能够达到健康运动范围；
切换运动轴：安装所述可拆支链，锁死所述移动副207，松开所述移动副206，驱动电机调整机构运动中心与所述距下关节轴02重合，锁死所述移动副206，松开所述移动副207，拆除所述可拆卸支链；
规划机器人绕所述距下关节轴02，进行内翻/外翻康复训练，至踝关节能够达到健康运动范围。
以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，因而本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。类似地，受本发明机械结构的启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他运动副布局的变化或机械结构的变型，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人，其特征在于，包括底座，转台，踏板调节装置，脚踏板以及可拆卸支链；所述底座与转台通过轴承转动连接形成转动副，该转台通过固定在底座上的驱动器驱动；所述转台与踏板调节装置之间均布三条具有相同拓扑结构但尺寸略有不同的驱动支链；所述踏板调节装置与所述脚踏板固连；所述转台和所述踏板调节装置上，分别预留安装孔，用来安装/拆除所述可拆卸支链。
2.根据权利要求1所述面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人，其特征在于，所述驱动支链包括驱动杆、弧形连接杆以及虎克铰链；所述的驱动杆一端与所述下平台转动连接形成转动副，另一端与所述弧形连接杆一端转动连接形成转动副，所述弧形连接杆另一端与虎克铰一端通过两个螺栓固连，所述虎克铰链另一端销轴与踏板调节装置通过轴承转动连接形成转动副，所述虎克铰链具有十字轴结构，使虎克铰链两端之间具有两个转动自由度。
3.根据权利要求1所述面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人，其特征在于，所述踏板调节装置包括滑动平台以及三个结构相同的滑轨，所述滑动平台上的三个滑道分支与所述三个滑轨固连，所述每个滑轨的滑块均有锁紧装置，可以通过锁紧装置锁死该滑轨；所述三个结构相同的滑块分别与所述三个驱动支链相连。
4.根据权利要求1所述面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人，其特征在于，所述脚踏板包括踏板、靠板以及六维力传感器；所述踏板通过六维力传感器与所述滑动平台固连，所述靠板通过两对螺柱和蝶形螺母与踏板连接，该靠板可在所述踏板的滑动槽内移动，并通过所述蝶形螺母锁死，用于调整人脚的踩踏位置。
5.根据权利要求1所述面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人，其特征在于，所述可拆卸支链，包括轴套和滑杆，所述轴套和所述滑杆组成一移动副，并且所述轴套上包含一锁紧装置可以锁死该移动副；在执行康复训练时，所述可拆卸调节支链处于拆除状态；在执行踏板调节功能时，安装所述可拆卸支链参与调节，安装时将所述轴套与转台固连，所述滑杆与脚踏板固连。
6.一种面向踝关节骨折术后康复的四自由度并联机器人的使用方法，其特征在于，步骤如下：
当进行康复训练前，安装所述可拆卸支链，锁紧所述可拆卸支链，患者将脚放在脚踏板上方，调整所述靠板使踝关节中心与所述转台转动中心重合，锁定靠板；松开所述踏板调节装置的滑轨，调整机构运动中心与踝关节运动轴重合，锁死所述踏板调节装置的滑轨，拆除所述可拆卸支链；
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