專利名稱：并聯(lián)結(jié)構(gòu)式踝關(guān)節(jié)康復訓練器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種康復工程技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)式踝關(guān)節(jié)康復訓練器。
背景技術(shù)：
每年世界上都有大量的人因為事故或疾病等原因?qū)е律眢w殘疾或癱瘓，失去正常的行動能力。臨床醫(yī)學經(jīng)驗表明，正確、科學的康復訓練對肢體運動功能恢復和提高能夠起到非常重要的作用。目前，肢體康復訓練主要是通過專業(yè)護理人員人工模擬患者肢體的關(guān)節(jié)運動實現(xiàn)，這種方法對專業(yè)護理人員的素質(zhì)要求較高，專業(yè)護理人員的勞動強度較大，對患者而言，醫(yī)療費用高，靈活性較差。為了解決這一問題，各種主動式康復設(shè)備被設(shè)計開發(fā)出來，以提高康復訓練的有效性、靈活性和全面性。
本發(fā)明主要針對的是踝關(guān)節(jié)的康復訓練設(shè)備。由人體解剖學可知，踝關(guān)節(jié)可視為繞定點轉(zhuǎn)動的球面關(guān)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻、內(nèi)旋/外旋三種運動。目前踝關(guān)節(jié)康復訓練器的主要結(jié)構(gòu)形式為單自由度的轉(zhuǎn)動鉸鏈，僅實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的背伸/跖屈運動， 難以滿足踝關(guān)節(jié)全面康復訓練的要求。經(jīng)對現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枮?00810034002. 7，名稱為“并聯(lián)式多自由度假肢外骨骼踝關(guān)節(jié)”，該外骨骼踝關(guān)節(jié)雖然采用了多自由度并聯(lián)機構(gòu)，但是3-RPS型并聯(lián)機構(gòu)僅能實現(xiàn)兩個方向的轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動中心不固定。中國專利申請?zhí)枮?00820073836. 4，名稱為“一種踝關(guān)節(jié)康復機器人”，該踝關(guān)節(jié)康復機器人雖然采用了具有三個轉(zhuǎn)動自由度的并聯(lián)機構(gòu)，但是其固定的轉(zhuǎn)動中心與踝關(guān)節(jié)并不重合，因此難以有效實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的康復訓練。中國專利申請?zhí)枮?01010600198. 9，名稱為“并聯(lián)式踝關(guān)節(jié)康復訓練器”，該康復訓練器的轉(zhuǎn)動中心與踝關(guān)節(jié)重合，但僅實現(xiàn)背伸/ 跖屈、內(nèi)翻/外翻運動，因此康復訓練并不全面。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點，提供一種多自由度踝關(guān)節(jié)康復訓練器，能夠滿足踝關(guān)節(jié)三個方向轉(zhuǎn)動的需要，且轉(zhuǎn)動中心與踝關(guān)節(jié)重合，提供主動驅(qū)動幫助患者進行踝關(guān)節(jié)康復訓練。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)式踝關(guān)節(jié)康復訓練器，包括 大腿支撐座、大腿支撐座內(nèi)桿、大腿支撐座外桿、小腿連接套、足底支撐板、基板，其中，大腿支撐座外桿與基板固定連接；大腿支撐座與大腿支撐座內(nèi)桿固定連接，大腿支撐座內(nèi)桿連接在所述大腿支撐座外桿上；小腿連接套與大腿支撐座外桿固定連接，其特征在于，還包括長度能夠伸縮的第一運動支鏈與第二運動支鏈，所述第一運動支鏈與第二運動支鏈的上端均通過球鉸與足底支撐板連接，第一運動支鏈與第二運動支鏈的下端均通過虎克鉸與基板連接；以及第三運動支鏈，所述第三運動支鏈的一端能夠繞自身延伸方向回轉(zhuǎn)，所述第三運動支鏈的上端以及下端分別通過虎克鉸與足底支撐板以及基板連接。
優(yōu)選的，所述大腿支撐座內(nèi)桿與所述大腿支撐座外桿滑動連接，鎖緊螺釘將所述大腿支撐座內(nèi)桿與所述大腿支撐座外桿固定連接。
優(yōu)選的，所述的第一運動支鏈包括第一伸縮桿、第一直線軸承、第一外套筒、第一滾珠絲杠、第一滾珠螺母、第一軸承座、第一軸承、第一絲杠同步帶輪、第一連接套筒、第一虎克鉸輸出軸、第一虎克鉸固定基座、第一同步齒形帶、第一電機同步帶輪、第一電機連接板、第一伺服電機、第一導向鍵，其中第一伸縮桿套接在第一直線軸承內(nèi)部，第一直線軸承安裝于第一外套筒上端；第一伸縮桿下端還與第一滾珠螺母固定連接，第一滾珠螺母螺紋套接在第一滾珠絲杠之上，且第一滾珠螺母還與第一導向鍵固定連接，第一導向鍵與第一外套筒內(nèi)壁滑動設(shè)置；第一滾珠絲杠下端通過第一軸承支撐在第一軸承座之上，第一軸承座固定于第一外套筒下端，第一絲杠同步帶輪安裝于第一滾珠絲杠下端，第一絲杠同步帶輪通過第一同步齒形帶與第一電機同步帶輪連接，第一電機同步帶輪安裝于第一伺服電機的輸出軸，第一伺服電機通過第一電機連接板與第一外套筒固定連接，第一外套筒、第一電機連接板通過第一連接套筒與第一虎克鉸輸出軸固定連接；第一虎克鉸輸出軸轉(zhuǎn)動連接在第一虎克鉸固定基座上，第一虎克鉸固定基座固定在基板上。所述的第二運動支鏈與第一運動支鏈結(jié)構(gòu)相同。
優(yōu)選的，所述的第三運動支鏈包括第三上虎克鉸、第三伸縮桿、第三直線軸承、第三外套筒、回轉(zhuǎn)軸、第三軸承座、第三軸承、回轉(zhuǎn)軸同步帶輪、第三連接套筒、第三下虎克鉸輸出軸、第三下虎克鉸固定基座、第三同步齒形帶、第三電機同步帶輪、第三電機連接板、第三伺服電機，其中第三伸縮桿套接在第三直線軸承內(nèi)部，第三直線軸承安裝于第三外套筒上端；第三伸縮桿下端還與回轉(zhuǎn)軸通過棱柱副套接；回轉(zhuǎn)軸下端通過第三軸承支撐在第三軸承座之上，第三軸承座固定于第三外套筒下端，回轉(zhuǎn)軸同步帶輪安裝于回轉(zhuǎn)軸下端，回轉(zhuǎn)軸同步帶輪通過第三同步齒形帶與第三電機同步帶輪連接，第三電機同步帶輪安裝于第三伺服電機的輸出軸，第三伺服電機通過第三電機連接板與第三外套筒固定連接，第三外套筒、第三電機連接板通過第三連接套筒與第三下虎克鉸輸出軸固定連接；第三伸縮桿的上端通過第三上虎鉸與足底支撐板鉸接；第三下虎克鉸輸出軸轉(zhuǎn)動連接在第三下虎克鉸固定基座上，第三下虎克鉸固定基座固定在基板上。
本發(fā)明采用2-UPS/UCU/S型并聯(lián)機構(gòu)，具有三個轉(zhuǎn)動自由度，且其轉(zhuǎn)動中心為踝關(guān)節(jié)，真正實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻、內(nèi)旋/外旋三種運動，仿生性高；結(jié)構(gòu)對稱， 運動實現(xiàn)簡單。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖2是第一運動支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖3是第三運動支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明的等效2-UPS/U⑶/S型并聯(lián)機構(gòu)原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括大腿支撐座1、大腿支撐座內(nèi)桿2、鎖緊螺釘3、大腿支撐座外桿4、小腿連接套10、足底支撐板9、第一運動支鏈7、第二運動支鏈8、第三運動支鏈 6、基板5，其中大腿支撐座外桿4與基板5固定連接；大腿支撐座1與大腿支撐座內(nèi)桿2 固定連接，大腿支撐座內(nèi)桿2與所述大腿支撐座外桿4滑動連接，具體而言，大腿支撐座內(nèi)桿2在大腿支撐座外桿4中伸縮以調(diào)整合適的大腿支撐高度，并通過鎖緊螺釘3鎖緊固定； 小腿連接套10與大腿支撐座外桿4固定連接；長度能夠伸縮的第一運動支鏈7、第二運動支鏈8及第三運動支鏈6的上端均與足底支撐板9連接，第一運動支鏈7、第二運動支鏈8 及第三運動支鏈9的下端均與基板5連接。
如圖2所示的第一運動支鏈7，圖中左側(cè)為第一運動支鏈7的上端。所述的第一運動支鏈7包括第一伸縮桿11、第一直線軸承12、第一外套筒13、第一滾珠絲杠14、第一滾珠螺母15、第一軸承座16、第一軸承17、第一絲杠同步帶輪18、第一連接套筒19、第一虎克鉸輸出軸20、第一虎克鉸固定基座21、第一同步齒形帶22、第一電機同步帶輪23、第一電機連接板M、第一伺服電機25、第一導向鍵沈，其中第一伸縮桿11套接在第一直線軸承12 內(nèi)部，第一直線軸承12安裝于第一外套筒13上端；第一伸縮桿11下端還與第一滾珠螺母 15固定連接，第一滾珠螺母15螺紋套接在第一滾珠絲杠14之上，且第一滾珠螺母15與第一導向鍵沈固定連接，第一導向鍵沈與第一外套筒13內(nèi)壁滑動設(shè)置，則第一滾珠螺母15 也與第一外套筒13內(nèi)壁滑動設(shè)置；第一滾珠絲杠14下端通過第一軸承17支撐在第一軸承座16之上，第一軸承座16固定于第一外套筒13下端，第一絲杠同步帶輪18安裝于第一滾珠絲杠14下端，第一絲杠同步帶輪18通過第一同步齒形帶22與第一電機同步帶輪23連接，第一電機同步帶輪23安裝于第一伺服電機25的輸出軸，第一伺服電機25通過第一電機連接板M與第一外套筒13固定連接，第一外套筒13、第一電機連接板M通過第一連接套筒19與第一虎克鉸輸出軸20固定連接。第一伸縮桿11的上端通過第一球鉸43與足底支撐板9鉸接；第一虎克鉸輸出軸20轉(zhuǎn)動連接在第一虎克鉸固定基座21上，第一虎克鉸固定基座21固定在基板5上。
所述的第二運動支鏈8與第一運動支鏈7結(jié)構(gòu)相同，且第二運動支鏈8的上端通過第二球鉸45與足底支撐板9鉸接、下端通過第二虎克鉸固定基座44固定在基板5上。
如圖3所示的第三運動支鏈6，圖中右側(cè)為第一運動支鏈6的上端。所述的第三運動支鏈6包括第三上虎克鉸27、第三伸縮桿觀、第三直線軸承四、第三外套筒30、回轉(zhuǎn)軸 31、第三軸承座32、第三軸承33、回轉(zhuǎn)軸同步帶輪34、第三連接套筒35、第三下虎克鉸輸出軸36、第三下虎克鉸固定基座37、第三同步齒形帶38、第三電機同步帶輪39、第三電機連接板40、第三伺服電機41，其中第三伸縮桿觀套接在第三直線軸承四內(nèi)部，第三直線軸承四安裝于第三外套筒30上端；第三伸縮桿觀下端還與回轉(zhuǎn)軸31通過棱柱副套接；回轉(zhuǎn)軸 31下端通過第三軸承33支撐在第三軸承座32之上，第三軸承座32固定于第三外套筒30 下端，回轉(zhuǎn)軸同步帶輪34安裝于回轉(zhuǎn)軸31下端，回轉(zhuǎn)軸同步帶輪34通過第三同步齒形帶 38與第三電機同步帶輪39連接，第三電機同步帶輪39安裝于第三伺服電機41的輸出軸， 第三伺服電機41通過第三電機連接板40與第三外套筒30固定連接，第三外套筒30、第三電機連接板40通過第三連接套筒35與第三下虎克鉸輸出軸36固定連接。第三伸縮桿觀的上端通過第三上虎鉸27與足底支撐板9鉸接；第三下虎克鉸輸出軸36轉(zhuǎn)動連接在第三下虎克鉸固定基座37上，第三下虎克鉸固定基座37固定在基板5上。
所述第一運動支鏈7、第二運動支鏈8、第三運動支鏈6分別通過第一球鉸43、第二球鉸45、第三上虎克鉸27與足底支撐板9鉸接。
所述第一運動支鏈7、第二運動支鏈8、第三運動支鏈6分別通過第一虎克鉸固定基座21 (42)、第二虎克鉸固定基座44、第三下虎克鉸固定基座37與基板5固定連接。
本實施例通過采用上述結(jié)構(gòu)，形成2-UPS/U⑶/S型并聯(lián)機構(gòu)(其中U-虎克鉸， P-移動副，S-球鉸，C-圓柱副)，其等效結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，第一運動支鏈7、第二運動支鏈8、第三運動支鏈6的下端在點Bi、B2、B3處通過虎克鉸與靜平臺相連；第一運動支鏈 7、第二運動支鏈8上端在點PI、P2處通過球鉸與動平臺相連，第三運動支鏈6上端在0點通過虎克鉸與動平臺相連；第一運動支鏈7、第二運動支鏈8本身形成移動副，第三運動支鏈6本身為圓柱副；通過上述3套結(jié)構(gòu)可在動平臺與靜平臺之間形成等效球鉸46 (即所謂的2-UPS/UCU/S)，球鉸46為靜平臺和動平臺之間的約束鉸鏈，即動平臺只能相對靜平臺轉(zhuǎn)動。通過改變?nèi)齻€運動支鏈的長度以驅(qū)動動平臺產(chǎn)生相對于靜平臺的運動，在球鉸46的約束下，動平臺能夠?qū)崿F(xiàn)繞χ軸、y軸和ζ軸的轉(zhuǎn)動。本實施例將靜平臺選為基板5，動平臺選為足底支撐板9，而約束球鉸46選為訓練者的踝關(guān)節(jié)，因此動平臺繞球鉸46的轉(zhuǎn)動就等效為踝關(guān)節(jié)的背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻、內(nèi)旋/外旋三種運動。
本實施例工作時，訓練者呈坐姿，大腿放置在大腿支撐座1上，腳放置于足底支撐板9，小腿與小腿連接套10連接。對于第一運動支鏈、第二運動支鏈，由伺服電機通過電機同步帶輪和絲杠同步帶輪帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)滾珠螺母和伸縮桿產(chǎn)生相對于外套筒的伸縮運動；對于第三運動支鏈，由伺服電機通過電機同步帶輪和回轉(zhuǎn)軸同步帶輪帶動回轉(zhuǎn)軸和伸縮桿轉(zhuǎn)動，進而通過上虎克鉸實現(xiàn)動平臺的回轉(zhuǎn)。在對整個康復訓練器進行運動控制時，將球鉸46建立在訓練者的踝關(guān)節(jié)處，對于每個訓練者而言，需要具體測量其體格參數(shù)才能得到其踝關(guān)節(jié)相對于足底支撐板9的位置，從而建立球鉸46。在踝關(guān)節(jié)的約束下，當?shù)谝贿\動支鏈、第二運動支鏈伸縮方向相同時，產(chǎn)生踝關(guān)節(jié)的背伸/跖屈運動；當?shù)谝贿\動支鏈、第二運動支鏈伸縮方向相反時，產(chǎn)生踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻/外翻運動；當?shù)谌\動支鏈回轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生踝關(guān)節(jié)的內(nèi)旋/外旋運動。
本實施例的踝關(guān)節(jié)康復訓練器由于能夠?qū)崿F(xiàn)三個轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動中心與踝關(guān)節(jié)重合，因而能夠逼真模擬踝關(guān)節(jié)的背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻、內(nèi)旋/外旋運動，提高了踝關(guān)節(jié)康復訓練的全面性和有效性。第一運動支鏈、第二運動支鏈成對稱布置，能夠以簡單的方式實現(xiàn)三種運動。
本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定權(quán)利要求，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)式踝關(guān)節(jié)康復訓練器，包括大腿支撐座、大腿支撐座內(nèi)桿、大腿支撐座外桿、小腿連接套、足底支撐板、基板，其中，大腿支撐座外桿與基板固定連接；大腿支撐座與大腿支撐座內(nèi)桿固定連接，大腿支撐座內(nèi)桿連接在所述大腿支撐座外桿上；小腿連接套與大腿支撐座外桿固定連接，其特征在于，還包括長度能夠伸縮的第一運動支鏈與第二運動支鏈，所述第一運動支鏈與第二運動支鏈的上端均通過球鉸與足底支撐板連接，第一運動支鏈與第二運動支鏈的下端均通過虎克鉸與基板連接；以及第三運動支鏈，所述第三運動支鏈的一端能夠繞自身延伸方向回轉(zhuǎn)，所述第三運動支鏈的上端以及下端分別通過虎克鉸與足底支撐板以及基板連接。
2.如權(quán)利要求1所述的并聯(lián)結(jié)構(gòu)式踝關(guān)節(jié)康復訓練器，其特征在于所述大腿支撐座內(nèi)桿與所述大腿支撐座外桿滑動連接，鎖緊螺釘將所述大腿支撐座內(nèi)桿與所述大腿支撐座外桿固定連接。
3.如權(quán)利要求1所述的并聯(lián)結(jié)構(gòu)式踝關(guān)節(jié)康復訓練器，其特征在于所述的第一運動支鏈包括第一伸縮桿、第一直線軸承、第一外套筒、第一滾珠絲杠、第一滾珠螺母、第一軸承座、第一軸承、第一絲杠同步帶輪、第一連接套筒、第一虎克鉸輸出軸、第一虎克鉸固定基座、第一同步齒形帶、第一電機同步帶輪、第一電機連接板、第一伺服電機、第一導向鍵，其中第一伸縮桿套接在第一直線軸承內(nèi)部，第一直線軸承安裝于第一外套筒上端；第一伸縮桿下端還與第一滾珠螺母固定連接，第一滾珠螺母螺紋套接在第一滾珠絲杠之上，且第一滾珠螺母還與第一導向鍵固定連接，第一導向鍵與第一外套筒內(nèi)壁滑動設(shè)置；第一滾珠絲杠下端通過第一軸承支撐在第一軸承座之上，第一軸承座固定于第一外套筒下端，第一絲杠同步帶輪安裝于第一滾珠絲杠下端，第一絲杠同步帶輪通過第一同步齒形帶與第一電機同步帶輪連接，第一電機同步帶輪安裝于第一伺服電機的輸出軸，第一伺服電機通過第一電機連接板與第一外套筒固定連接，第一外套筒、第一電機連接板通過第一連接套筒與第一虎克鉸輸出軸固定連接；第一虎克鉸輸出軸轉(zhuǎn)動連接在第一虎克鉸固定基座上，第一虎克鉸固定基座固定在基板上。
4.如權(quán)利要求3所述的并聯(lián)結(jié)構(gòu)式踝關(guān)節(jié)康復訓練器，其特征在于所述的第二運動支鏈與第一運動支鏈結(jié)構(gòu)相同。
5.如權(quán)利要求1所述的并聯(lián)結(jié)構(gòu)式踝關(guān)節(jié)康復訓練器，其特征在于所述的第三運動支鏈包括第三上虎克鉸、第三伸縮桿、第三直線軸承、第三外套筒、回轉(zhuǎn)軸、第三軸承座、第三軸承、回轉(zhuǎn)軸同步帶輪、第三連接套筒、第三下虎克鉸輸出軸、第三下虎克鉸固定基座、第三同步齒形帶、第三電機同步帶輪、第三電機連接板、第三伺服電機，其中第三伸縮桿套接在第三直線軸承內(nèi)部，第三直線軸承安裝于第三外套筒上端；第三伸縮桿下端還與回轉(zhuǎn)軸通過棱柱副套接；回轉(zhuǎn)軸下端通過第三軸承支撐在第三軸承座之上，第三軸承座固定于第三外套筒下端，回轉(zhuǎn)軸同步帶輪安裝于回轉(zhuǎn)軸下端，回轉(zhuǎn)軸同步帶輪通過第三同步齒形帶與第三電機同步帶輪連接，第三電機同步帶輪安裝于第三伺服電機的輸出軸，第三伺服電機通過第三電機連接板與第三外套筒固定連接，第三外套筒、第三電機連接板通過第三連接套筒與第三下虎克鉸輸出軸固定連接；第三伸縮桿的上端通過第三上虎鉸與足底支撐板鉸接；第三下虎克鉸輸出軸轉(zhuǎn)動連接在第三下虎克鉸固定基座上，第三下虎克鉸固定基座固定在基板上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)式踝關(guān)節(jié)康復訓練器，包括大腿支撐座、大腿支撐座內(nèi)桿、大腿支撐座外桿、小腿連接套、足底支撐板、基板；長度能夠伸縮的第一運動支鏈與第二運動支鏈，所述第一運動支鏈與第二運動支鏈的上端均通過球鉸與足底支撐板連接，第一運動支鏈與第二運動支鏈的下端均通過虎克鉸與基板連接；以及第三運動支鏈，所述第三運動支鏈的一端能夠繞自身延伸方向回轉(zhuǎn)，所述第三運動支鏈的上端以及下端分別通過虎克鉸與足底支撐板以及基板連接。本發(fā)明采用2-UPS/UCU/S型并聯(lián)機構(gòu)，具有三個轉(zhuǎn)動自由度，且其轉(zhuǎn)動中心為踝關(guān)節(jié)，真正實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻、內(nèi)旋/外旋三種運動，仿生性高；結(jié)構(gòu)對稱，運動實現(xiàn)簡單。
文檔編號A61H1/00GK102499854SQ20111036969
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者印松 申請人:上海電機學院