專利名稱：并聯式多自由度踝關節康復訓練器的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種康復工程技術領域的裝置，具體是一種并聯式多自由度踝關 節康復訓練器。
背景技術：
每年世界上都有大量的人因為事故或疾病等原因導致身體殘疾或癱瘓，失去正常 的行動能力。臨床醫學經驗表明，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護理人員人工模擬患者肢體的關 節運動實現，這種方法對專業護理人員的素質要求較高，專業護理人員的勞動強度較大，對 患者而言，醫療費用高，靈活性較差。為了解決這一問題，各種主動式康復設備被設計開發 出來，以提高康復訓練的有效性、靈活性和全面性。本發明主要針對的是踝關節的康復訓練設備。由人體解剖學可知，踝關節可視為 繞定點轉動的球面關節，能夠實現背伸/跖屈、內翻/外翻、內旋/外旋三種運動。目前踝關 節康復訓練器的主要結構形式為單自由度的轉動鉸鏈，僅實現踝關節的背伸/跖屈運動， 難以滿足踝關節全面康復訓練的要求。經對現有相關技術文獻的檢索發現，中國專利申請 號為200810034002. 7，名稱為“并聯式多自由度假肢外骨骼踝關節”，該外骨骼踝關節雖然 采用了多自由度并聯機構，但是3-RPS型并聯機構僅能實現兩個方向的轉動，且轉動中心 不固定。中國專利申請號為=200820073836. 4，名稱為“一種踝關節康復機器人”，該踝關節 康復機器人雖然采用了具有三個轉動自由度的并聯機構，但是其固定的轉動中心與踝關節 并不重合，因此難以有效實現踝關節的康復訓練。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中存在的上述缺點，提供一種多自由度踝關節康 復訓練器，能夠滿足踝關節三個方向轉動的需要，且轉動中心與踝關節重合，提供主動驅動 幫助患者進行踝關節康復訓練。本發明是通過以下技術方案實現的一種并聯式多自由度踝關節康復訓練器，包 括大腿支撐座、大腿支撐座內桿、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桿固定連接，大腿支撐座內 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，還包括長度能 夠伸縮的第一運動支鏈、第二運動支鏈及第三運動支鏈，所述第一運動支鏈、第二運動支鏈 及第三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、第二運動支鏈及第 三運動支鏈的下端均通過虎克鉸與基板連接。本發明采用3-UPS/S型并聯機構，具有三個轉動自由度，且其轉動中心為踝關節， 真正實現踝關節背伸/跖屈、內翻/外翻、內旋/外旋三種運動。本發明采用并聯式結構， 剛性好，承載能力高，能夠有效減輕受損關節的負擔；能夠真實模擬踝關節的球面運動，仿 生性高。
圖1是本發明的整體結構示意圖，其中圖1(a)是本發明的等軸測圖，圖(b)是本 發明的左視圖；圖2是第一運動支鏈的結構示意圖；圖3是本發明的等效3-UPS/S型并聯機構原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前 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6、第二運動支鏈7、第三運動支鏈 8、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與大腿支撐座內桿2 固定連接，大腿支撐座內桿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 桿2在大腿支撐座外桿4中伸縮以調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6、第二運動 支鏈7及第三運動支鏈8的上端均與足底支撐板9連接，第一運動支鏈6、第二運動支鏈7 及第三運動支鏈8的下端均與基板5連接。如圖2所示的第一運動支鏈6，圖中左側為第一運動支鏈6的上端。所述的第一運 動支鏈6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24、第一伺服電機25、第一導向鍵26，其中第一伸縮桿11套接在第一直線軸承12 內部，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26固定連接，第一導向鍵26與第一外套筒13內壁滑動設置，則第一滾珠螺母15 也與第一外套筒13內壁滑動設置；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24與第一外套筒13固定連接，第一外套筒13、第一電機連接板24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29與足底 支撐板9鉸接；第一虎克鉸輸出軸20轉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7與第一運動支鏈6結構相同。所述的第三運動支鏈8也與第一運動支鏈6結構相同。所述第一運動支鏈6、第二運動支鏈7、第三運動支鏈8分別通過第一球鉸29、第二 球鉸30、第三球鉸31與足底支撐板9鉸接。
所述第一運動支鏈6、第二運動支鏈7、第三運動支鏈8通過第一虎克鉸固定基座 21、第二虎克鉸固定基座27、第三虎克鉸固定基座28與基板5固定連接。本實施例通過采用上述結構，形成3-UPS/S型并聯機構(其中U-虎克鉸，P-移動 副，s-球鉸)，其等效結構示意圖如圖3所示，第一運動支鏈6、第二運動支鏈7、第三運動支 鏈8的下端在點Bl、B2、B3處通過虎克鉸與靜平臺5相連；第一運動支鏈6、第二運動支鏈 7、第三運動支鏈8上端在點PI、P2、P3處通過球鉸與動平臺9相連；第一運動支鏈6、第二 運動支鏈7、第三運動支鏈8本身形成移動副；通過上述3套UPS結構可在動平臺9與靜平 臺5之間形成等效球鉸32(即所謂的3-UPS/S)，球鉸32為靜平臺5和動平臺9之間的約 束鉸鏈，即動平臺9只能相對靜平臺5轉動。通過改變三個運動支鏈的長度以驅動動平臺 9產生相對于靜平臺的運動，在球鉸32的約束下，動平臺9能夠實現繞x軸、y軸和z軸的 轉動。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32選為訓練者 的踝關節，因此動平臺繞球鉸32的轉動就等效為踝關節的背伸/跖屈、內翻/外翻、內旋/ 外旋三種運動。本實施例工作時，訓練者成坐姿，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。對于一根運動支鏈，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動，進而實現滾珠螺母和伸縮桿產生相對于外套筒的伸縮運 動，最終使運動支鏈上下連接端之間的距離發生變化，三根運動支鏈的工作過程相同。在對 整個康復訓練器進行運動控制時，將球鉸32建立在訓練者的踝關節處，對于每個訓練者而 言，需要具體測量其體格參數才能得到其踝關節相對于足底支撐板9的位置，從而建立球 鉸32。通過第一運動支鏈、第二運動支鏈和第三運動支鏈伸縮運動的配合，能夠實現足底支 撐板的姿態控制，即實現踝關節的角度控制。本實施例的踝關節康復訓練器通過采用并聯式結構，能夠有效地減輕人體受損關 節的負擔，具有高剛性、高承載能力等特點；由于該康復訓練器能夠實現三個轉動，且轉動 中心與踝關節重合，因而能夠逼真模擬踝關節的背伸/跖屈、內翻/外翻、內旋/外旋運動， 提高了踝關節康復訓練的全面性和有效性。
權利要求
1. 一種并聯式多自由度踝關節康復訓練器，包括大腿支撐座、大腿支撐座內桿、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桿固定連接，大腿支撐座內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、第 二運動支鏈及第三運動支鏈，所述第一運動支鏈、第二運動支鏈及第三運動支鏈的上端均 通過球鉸與足底支撐板連接，第一運動支鏈、第二運動支鏈及第三運動支鏈的下端均通過 虎克鉸與基板連接。
2.如權利要求1所述的并聯式多自由度踝關節康復訓練器，其特征在于所述大腿支 撐座內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桿與所述大腿支 撐座外桿固定連接。
3.如權利要求1所述的并聯式多自由度踝關節康復訓練器，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壁滑動設置；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.如權利要求3所述的并聯式多自由度踝關節康復訓練器，其特征在于所述的第二 運動支鏈與第一運動支鏈結構相同。
5.如權利要求3所述的并聯式多自由度踝關節康復訓練器，其特征在于所述的第三 運動支鏈與第一運動支鏈結構相同。
全文摘要
本發明涉及一種并聯式多自由度踝關節康復訓練器，包括大腿支撐座、大腿支撐座內桿、大腿支撐座外桿、小腿連接套、足底支撐板、基板，以及長度能夠伸縮的第一運動支鏈、第二運動支鏈及第三運動支鏈，所述第一運動支鏈、第二運動支鏈及第三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、第二運動支鏈及第三運動支鏈的下端均通過虎克鉸與基板連接。本發明采用3-UPS/S型并聯機構，具有三個轉動自由度，且其轉動中心為踝關節，真正實現踝關節背伸/跖屈、內翻/外翻、內旋/外旋三種運動；本發明結構剛性好，承載能力高，能夠有效減輕受損關節的負擔；能夠真實模擬踝關節的球面運動，仿生性高。
文檔編號A61H1/02GK101999970SQ20101060475
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月24日 優先權日2010年12月24日
發明者印松 申請人:上海電機學院