專利名稱：生物融合式足關節康復機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種康復機器人系統，特別是涉及一種具有多自由度，能夠實現全方向關節功能康復，轉動鉸點與足關節轉動鉸點完全重合的足關節康復機器人。
背景技術：
足關節包括距上關節(俗稱踝關節)，距下關節(包括距跟舟關節和距跟關節)。其中距上關節為滑車關節，其主要運動為背屈及跖屈。此外，由于滑車關節面前寬后窄，足在跖屈時，距骨滑車較窄的后部進入關節窩，使關節窩大于關節頭，故還能做輕度的外展和內收運動。距下關節在機能上是聯合關節，其主要運動為內翻和外翻運動。在人工關節研制中，經常將足關節簡化為具有一個或三個自由度的轉動關節。
足關節損傷主要包括踝關節骨折，韌帶撕脫和斷裂。由于踝關節距骨滑車的后部較窄，當跖屈時距骨滑車較窄的后部進入關節窩內，故可有輕微的側向(展、收)運動，此時距小腿關節松動而穩定性較差，易受扭傷，其中以內翻扭傷較多見(外側韌帶損傷)。關節損傷的康復治療是在初期藥物治療或手術之后的第二個重要治療過程，是通過關節的連續被動運動(Continuous Passive Motion，CPM)，以及理療按摩等進行功能恢復。但目前患者主要是通過緩慢行走進行功能恢復。這種方法由于觸地的強度和運動幅度等不易掌握，不僅使恢復治療所用時間長、不徹底，而且會給患者帶來很大的痛苦，甚至造成嚴重的二次損傷和習慣性扭傷。
足關節損傷的康復治療過程可分為兩個階段。第1階段一般在傷后48-72小時后開始。康復訓練可維持肌收縮運動，防止廢用性肌肉萎縮，關節囊和韌帶等軟組織攣縮，同時促進了關節內滑液的分泌和循環，從而預防關節內發生粘連。第2階段康復治療的目的在于最大限度地恢復受損肢體的運動功能。此階段的治療可選用，被動運動，關節功能牽引，關節松動術，推拿，理療等治療方法。關節松動術(joint mobilization JM)是一種被動運動，實驗證明，這種方法可以促進關節液的流動，增加關節軟骨和軟骨無血管區的營養，緩解疼痛，防止因活動減少而引起的關節退變，可保持或增加關節周圍組織的伸展性，改善關節活動度，已經成為現代康復治療技術的重要組成部分。
為了使受損的足關節快速，最大限度地恢復運動功能。人們設計出了多種康復機器人系統。中國專利ZL99106695.2公開了一種用于四肢骨折患者在手術后進行關節功能康復鍛煉的肢關節功能康復器，其特點是結構簡單，無需底座支架，可直接安裝在患者的關節部位上工作，能根據使用者關節所能彎曲的最大位置自動選擇最佳的工作角度，適合患者在家庭個人使用。
中國專利ZL94227560.8公開。這種康復器采用雙平行四邊形機構和諧波傳動機構。能夠使病員下肢關節轉動點與雙平行四邊形的虛鉸接點重合，避免了機構運動時對人體的干涉和皮膚損傷。這兩種專利康復器的不足是足關節僅有一個運動自由度，難以實現人足的復雜康復運動。
此外，一種癱瘓足康復電動鞋已被中國專利ZL01216338.4公開，該康復器通過偏心輪組驅動多向擺動架，該擺動架通過萬向節與腳底板相連，帶動足關節產生兩個方向的轉動。可實現腳面不斷運動，并可根據需要使踝關節維持功能位。
這些康復器系統的共同缺點是設計之初沒有充分考慮人類肢體的特殊復雜性，沒有以人的肢體的生理解剖結構為設計中心，從而使系統康復運動形式單一，自由度少，機構系統缺乏柔性。因此，不能很好的解決患者足關節在某些方向上的運動功能受限問題，康復的安全性得不到很好的保障，不能滿足患者安全快速康復的需要。
為了克服現有足關節康復機器人系統中存在的自由度少，康復運動形式單一，療效欠佳，安全性較差的不足，本發明提供了一種生物融合式足關節康復機器人系統。本發明專門針對人足關節的生理解剖結構，將人膝下肢體作為運動分支設計機構系統，具有多個自由度，能實現多種復雜的康復運動。從而能夠更好地滿足患者安全，舒適，快速地進行足關節康復的需要。能夠解決患者足關節在某些方向上的運動功能受限問題，因而療效更好。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是四個直線驅動器上端通過萬向鉸與上平臺的安裝支架相連，其下端通過球鉸與平臺相連，四個安裝支架及固定板固聯到安裝臺上構成上平臺；三個支架上端與安裝臺固聯下端與底座固聯構成支座。
人腳通過夾持器與平臺固聯，小腿通過小腿固定器與上平臺相連，搭扣與固定板固聯，搭扣與踏板固定安裝，踏板固聯到平臺上構成下平臺。
直線驅動單元由直線驅動器，彈性耦合單元串聯組成。
直線驅動器有以下三種結構第一種結構是直線驅動器由電機、安裝臺和絲杠串聯組成；第二種結構是直線驅動器選用雙向運動氣缸；第三種結構是直線驅動器選用電動缸。
彈性耦合單元可選用金屬彈簧，橡膠彈簧或空氣彈簧。
四個直線驅動單元上端通過U副(萬向鉸)與上平臺安裝支架相連，下端通過S副(球鉸)與下平臺相連，人腳通過夾持器與下平臺固連，小腿通過小腿固定器與上平臺相連，共同構成一套有人的肢體作為運動分支參與的并聯機構系統。
本發明的有益效果是本發明以人足仿生研究為基礎，把人的膝下肢體作為運動分支融合到整個機構系統中，設計出了生物融合式足關節康復機器人系統。本康復機器人系統具有多個自由度，能實現各種復雜的康復運動，很好地解決患者足關節在某些方向上關節功能受限的康復治療問題；轉動鉸點與足關節轉動鉸點完全重合，康復過程更加安全舒適。并可將康復運動過程中的數據用于治療診斷。本發明具有結構簡單新穎，安全可靠，運動靈活，能夠實現全方向的關節功能康復，能很好地適應人類肢體生理結構等優點。
圖1為生物融合式足關節康復機器人的主視圖；圖2為生物融合式足關節康復機器人的側視圖；圖3為第一種直線驅動單元結構圖；圖4為第二種直線驅動單元結構圖；圖5為第三種直線驅動單元結構圖；
圖6為生物融合式足關節康復機器人的軸測圖；圖7為氣缸驅動生物融合式足關節康復機器人的軸測圖；圖8為電動缸驅動生物融合式足關節康復機器人的軸測圖。
在圖1-圖6中，1.安裝臺，2.小腿，3.固定板，4.U副(萬向鉸)，5.安裝支架，6.直線驅動器，7.支架，8.彈性耦合單元，9.S副(球鉸)，10.踏板，11.人腳，12.平臺，13.搭扣，14.底座，15.搭扣，16.上平臺，17.下平臺，18.電機，19.連接臺，20.絲杠，21.S副球頭，22.雙向運動氣缸，23.電動缸，24.氣源，25.管路。
具體實施例方式
實施例1圖1是本發明公開的一個實施例。四個直線驅動單元上端通過U副(萬向鉸)4與上平臺安裝支架5相連，下端通過S副(球鉸)9與下平臺17相連，人腳11通過夾持器與下平臺17固聯，小腿2通過小腿固定器與上平臺16相連。搭扣15與固定板3固聯，四個安裝支架5及固定板3固聯到安裝臺1上構成上平臺16。小腿后部放入固定板后，通過前部的搭扣13將小腿固定到上平臺16。搭扣13與踏板10固定安裝，踏板10固聯到平臺12上構成下平臺17。人腳底放入踏板10，通過搭扣13將腳固定到下平臺17。電機18及絲杠20安裝到連接臺19上。彈性耦合單元8上端與絲杠20串接到一起，下端與S副球頭21固聯共同構成直線驅動單元。三個支架7上端與安裝臺1固聯，下端與底座14固聯構成支座，以支撐整個機器人機械系統。進行康復治療時將系統平放，使底座與地面接觸，電機18接電即可實現康復訓練運動。
實施例2圖6為本發明的第二種實施例。將實例一中的直線驅動器更換為雙向運動氣缸22，雙向運動氣缸22由缸體和柱塞桿組成，彈性耦合單元8與柱塞桿串接到一起，彈性耦合單元8上端是與球副相配合的球頭21。雙向運動氣缸22與機器人機械系統的連接方式與實施例1相同。氣源24通過管路25向氣缸供氣，即可實現直線驅動單元的往復運動。
實施例3
圖7為本發明的第三種實施例。實例一中的直線驅動器由電動缸23代替，電動缸23由缸體和桿件組成，彈性耦合單元8與桿件串接到一起，彈性耦合單元8的上端是與球副相配合的球頭21，電動缸23與機器人機械系統的連接方式與實施例1相同。向電動缸加電即可實現直線驅動單元的往復運動。
權利要求
1.一種生物融合式足關節康復機器人，包括萬向鉸(4)、球鉸(9)、底座(14)和控制部分，其特征是四個直線驅動器(6)上端通過萬向鉸(4)與上平臺(16)的安裝支架(5)相連，其下端通過球鉸(9)與平臺(12)相連，四個安裝支架(5)及固定板(3)固聯到安裝臺(1)上構成上平臺(16)；三個支架(7)上端與安裝臺(1)固聯，其下端與底座(14)固聯構成支座。
2.根據權利要求1所述的生物融合式足關節康復機器人，其特征是人腳(11)通過夾持器與平臺(12)固聯，小腿(2)通過小腿固定器與上平臺(16)相連，搭扣(15)與固定板(3)固聯，搭扣(13)與踏板(10)固定安裝，踏板(10)固聯到平臺(12)上構成下平臺(17)。
3.根據權利要求1或2所述的生物融合式足關節康復機器人，其特征是直線驅動器(6)可選用絲杠螺母機構、雙向運動氣缸(22)或電動缸(23)。
4.根據權利要求3所述的生物融合式足關節康復機器人，其特征是絲杠螺母機構的電機(18)與絲杠(20)聯接安裝在連接臺(19)上，彈性耦合單元(8)與絲杠(20)串接到一起，彈性耦合單元(8)的上端是與球副相配合的球頭(21)。
5.根據權利要求3所述的生物融合式足關節康復機器人，其特征是雙向運動氣缸(22)由缸體和柱塞桿組成，彈性耦合單元(8)與柱塞桿串接到一起，彈性耦合單元(8)的上端是與球副相配合的球頭(21)。
6.根據權利要求3所述的生物融合式足關節康復機器人，其特征是電動缸(23)由缸體和桿件組成，彈性耦合單元(8)與桿件串接到一起，彈性耦合單元(8)的上端是與球副相配合的球頭(21)。
7.根據權利要求4所述的生物融合式足關節康復機器人，其特征是所述的彈性耦合單元(8)可選用金屬彈簧、橡膠彈簧或空氣彈簧。
全文摘要
本發明公開一種生物融合式足關節康復機器人。其特征是四個直線驅動單元上端通過萬向鉸(4)與上平臺(16)的安裝支架(5)相連，下端通過球副(9)與下平臺(12)相連，人腳(11)通過夾持器與下平臺(12)固連，小腿(2)通過固定器與上平臺(16)相連。直線驅動器(6)可選用絲杠螺母機構、雙向運動氣缸(22)或電動缸(23)。本發明以人足仿生研究為基礎，把人的膝下肢體作為運動分支融合到機構系統中。本康復機器人具有多個自由度，能夠實現各種復雜的康復運動，轉動鉸點與足關節轉動鉸點完全重合。并可將康復過程中的數據用于診斷治療。因此本發明具有結構簡單新穎，安全可靠，運動靈活，能夠實現全方向的關節功能康復，能很好地適應人足生理結構等優點。
文檔編號B25J11/00GK1923157SQ20061004828
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月14日 優先權日2006年9月14日
發明者趙鐵石, 潘旺, 李艷文, 梁志成 申請人:燕山大學