专利名称：行走式欠驱动型三自由度踝关节运动康复外骨骼的制作方法
技术领域：
本发明涉及行走式欠驱动型三自由度踝关节运动康复外骨骼，属于运动康复器械领域。
背景技术：
足下垂导致患者足尖着地、拖曳，行走时具有典型的“划圈步态”，对患者上下楼梯及日常生活是很不利的。因此，纠正足下垂，打破伸肌痉挛模式，使踝部产生主动性踝背伸， 对纠正步态，提高步行能力有很大意义。足下垂常见康复方法是护理人员帮助踝关节背屈运动，康复效果受到护理人员数量、经验的限制。可穿戴式带驱动踝关节康复器是目前研究如何帮助患者实现主动性踝背伸、行走时防止足下垂的新方向。
发明内容
本发明的目的是设计一种可在步行训练时穿戴的行走式欠驱动型三自由度踝关节运动康复外骨骼。本发明的行走式欠驱动型三自由度踝关节运动康复外骨骼，包括驱动机构、小腿固定机构、三自由度踝关节机构和足底支撑
驱动机构包括由编码器、直流伺服电机、联轴器、丝杠和丝杠螺母组成的直线传动部分，由电机固定座、长轴、丝杠固定侧支座、支座固定件、螺母固定件和丝杠支持侧支座组成的支撑架部分，以及由短轴、传感器连接杆、拉压力传感器、铰接件、转动销轴、轴承挡块和两根踝关节连接杆组成的旋转运动部件，直流伺服电机的转轴通过联轴器与丝杠固连，直流伺服电机固定在电机固定座上，长轴穿过支座固定件和螺母固定件的光孔，其一端与电机固定座固连，另一端与丝杠支持侧支座的底面固定，支座固定件固定在长轴上，丝杠固定侧支座通过螺钉紧固在支座固定件的槽内，丝杠与丝杠固定侧支座固连，螺母固定件与丝杠螺母固连，丝杠的末端与安装在丝杠支持侧支座孔内的滚动轴承配合，实现转动副，短轴穿过丝杠支持侧支座的光孔，其一端与与螺母固定件固连，另一端与传感器连接杆固连，传感器连接杆中间的螺纹孔与拉压力传感器的一个螺纹轴紧固，拉压力传感器的另一个螺纹轴与铰接件固连，转动销轴的转动轴与铰接件两侧孔内的滚动轴承配合，实现转动副，两根踝关节连接杆的一端都与转动销轴固连，其中一根踝关节连接杆固定有轴承挡块；
小腿固定机构包括L型连接板、由大U型连接块、小U型连接块、宽度调节板、两个小腿固定件和小腿绑带组成的小腿固定部分以及两根小腿支撑杆，L型连接板一个面上有孔与固定在电机固定座的销轴相连，实现L型连接板通过销轴绕着电机固定座转动，L型连接板的另一个面与大U型连接块端面固连，大U型连接块开口端的两侧边和小U型连接块开口端的两侧边均开有矩形槽，大U型连接块开口端与小U型连接块开口端相对，通过矩形槽用螺钉固连，矩形槽位置可调，宽度调节板呈U型状，开口端宽度大于底面宽度，小U型连接块的底面与宽度调节板的底面固定，两个小腿固定件的一端分别与小腿绑带的两端相连，两个小腿固定件的另一端均有开口槽，宽度调节板开口端的两侧边分别伸入两个小腿固定件的开口槽中用螺钉螺母固连，实现宽度调节，两根小腿支撑杆的一端分别与两个小腿固定件固连，另一端均设有转轴，该两根转轴分别与两根踝关节连接杆孔内的轴承配合实现旋转副；
三自由度踝关节机构包括额状轴、角接触轴承套筒、角接触轴承端盖、垂直轴连接件、 垂直轴和滚珠滚针轴承套筒，额状轴由同轴线相连的块体和中心轴构成，额状轴的块体与一根踝关节连接杆固连，实现额状轴与小腿支撑杆形成矢状面旋转副，额状轴的中心轴与角接触轴承套筒内的角接触轴承配合组成额状面旋转副，角接触轴承端盖的两端分别与垂直轴连接件的一端及角接触轴承套筒固连，垂直轴连接件的另一端与垂直轴的一个端面紧固，垂直轴与滚珠滚针轴承套筒内的滚珠滚针轴承配合组成水平面旋转副；
足底支撑包括柔性绑带、绑带固定件和底板，底板与滚珠滚针轴承套筒固连，绑带固定件与底板固连，柔性绑带固定在绑带固定件上。为保证人体踝关节在正常的范围内活动，可在额状轴、角接触轴承套筒、垂直轴、 滚珠滚针轴承套筒上分别设置机械限位凸块。使用时，使用者将本发明穿戴在脚上，根据使用者小腿的尺寸调节好大U型连接块、小U型连接块、宽度调节板、小腿固定件的位置，根据使用者的鞋的尺寸调节好绑带固定件的相互位置，通过柔性绑带固定好小腿和脚。踝关节三个自由度的运动范围根据医学数据库中正常人踝关节运动范围设定，依靠机械限位以及控制系统的电气限位实现踝关节角度双重限位和保护。当用户穿着本发明行走时，步行程序会计算上位机输入的人体标准步态踝关节矢状面运动轨迹和速度，将控制命令传输到电机驱动器中，电机驱动器输出相应电压到电机， 电机实现人体踝关节矢状面运动，提供足下垂病人所需的背屈能力，纠正足下垂步态，同时在额状面和水平面两个自由度随人体踝关节跖屈、背屈运动做从动运动，减少人机耦合力， 降低因外骨骼与人体踝关节结构参数的差异造成的伤害和不适性，外骨骼三自由度踝关节结构满足人体踝关节行走时的运动范围。同时，控制程序根据拉压力传感器、编码器等信号反馈，计算外骨骼和人体踝关节人机耦合力，调整输入的人体标准步态踝关节运动曲线，降低人机耦合力，提高训练舒适性，减少人体关节受伤的风险。用户穿着本发明行走时，通过调整步行程序，可以像正常人一样进行日常活动，比如行走、上下坡、上下楼梯等，极大的方便了足下垂病人的日常生活。同时，本发明提供的主动性踝背伸，对激活小腿相关肌群、运动神经，提高足背伸肌群肌力，维持足背伸肌与跖屈肌间肌力的平衡，纠正步态，提高步行能力具有积极的意义。本发明装置结构简单，使用方便，具有足下垂步态矫正功能，对于足下垂病人或因为踝/足肌肉神经功能障碍而有步行缺陷的患者，穿戴本发明步行训练时，可以增强步行能力，防止足下垂，降低由拖曳现象造成摔跤和扭伤的危险，激活造成足下垂的神经肌肉群，实现踝关节在正常步态训练下运动康复。
图1是行走式欠驱动型三自由度踝关节运动康复外骨骼结构示意图； 图2是三自由度踝关节结构示意图3是额状轴示意图；图中1.编码器、2.直流伺服电机、3. L型连接板、4.大U型连接块、5.电机固定座、 7.长轴、8.联轴器、9.丝杠固定侧支座、10.支座固定件、11.丝杠、12.螺母固定件、13.丝杠螺母、14.短轴、15.丝杠支持侧支座、16.传感器连接杆、17.拉压力传感器、18.铰接件、19.转动销轴、20.踝关节连接杆、21.轴承挡块、22.小U型连接块、23.宽度调节板、 24.小腿固定件、25.小腿绑带、26.小腿支撑杆、27.块体、28.额状轴、29.角接触轴承套筒、30.角接触轴承端盖、31.中心轴、32.垂直轴连接件、33.垂直轴、34.滚珠滚针轴承套筒、36.柔性绑带、37.绑带固定件、38.底板。
具体实施例方式以下结合附图进一步说明本发明。参照图1，本发明的行走式欠驱动型三自由度踝关节运动康复外骨骼，包括驱动机构、小腿固定机构、三自由度踝关节机构和足底支撑
驱动机构包括由编码器1、直流伺服电机2、联轴器8、丝杠11和丝杠螺母13组成的直线传动部分，由电机固定座5、长轴7、丝杠固定侧支座9、支座固定件10、螺母固定件12和丝杠支持侧支座15组成的支撑架部分，以及由短轴14、传感器连接杆16、拉压力传感器17、 铰接件18、转动销轴19、轴承挡块21和两根踝关节连接杆20组成的旋转运动部件。直流伺服电机2的转轴通过联轴器8与丝杠11固连，直流伺服电机固定在电机固定座5上，编码器检测电机位置，提供位置闭环控制的反馈。长轴7穿过支座固定件10和螺母固定件12 的光孔，其一端与电机固定座5固连，另一端与丝杠支持侧支座15的底面固定，支座固定件 10固定在长轴7上，丝杠固定侧支座9通过螺钉紧固在支座固定件10的槽内，丝杠11与丝杠固定侧支座9固连，丝杠固定侧支座9作用是减少电机轴的轴向受力。螺母固定件12与丝杠螺母13固连，丝杠11的末端与安装在丝杠支持侧支座15孔内的滚动轴承配合，实现转动副，短轴14穿过丝杠支持侧支座15的光孔，其一端与与螺母固定件12固连，另一端与传感器连接杆16通过螺纹紧固，传感器连接杆16中间的螺纹孔与拉压力传感器17的一个螺纹轴紧固，拉压力传感器17的另一个螺纹轴与铰接件18固连，转动销轴19的转动轴与铰接件18两侧孔内的滚动轴承配合，实现转动副，两根踝关节连接杆20的一端都与转动销轴19固连，其中一根踝关节连接杆20固定有轴承挡块21。小腿固定机构包括L型连接板3、由大U型连接块4、小U型连接块22、宽度调节板23、两个小腿固定件M和小腿绑带25组成的小腿固定部分以及两根小腿支撑杆26。L 型连接板3 —个面上有孔与固定在电机固定座5的销轴相连，实现L型连接板3通过销轴绕着电机固定座5转动，L型连接板3的另一个面与大U型连接块4端面固连，大U型连接块4开口端的两侧边和小U型连接块22开口端的两侧边均开有矩形槽，大U型连接块4开口端与小U型连接块22开口端相对，通过矩形槽用螺钉固连，矩形槽位置可调，宽度调节板 23呈U型状，开口端宽度大于底面宽度，小U型连接块22的底面与宽度调节板23的底面固定，两个小腿固定件M的一端分别与小腿绑带25的两端相连，两个小腿固定件M的另一端均有开口槽，宽度调节板23开口端的两侧边分别伸入两个小腿固定件M的开口槽中用螺钉螺母固连，实现宽度调节，两根小腿支撑杆26的一端分别与两个小腿固定件M固连， 另一端均设有转轴，该两根转轴分别与两根踝关节连接杆20孔内的轴承配合实现旋转副。三自由度踝关节机构(见图2)包括额状轴观、角接触轴承套筒四、角接触轴承端盖30、垂直轴连接件32、垂直轴33和滚珠滚针轴承套筒34。额状轴观由同轴线相连的块体27和中心轴31构成(见图3)，额状轴观的块体与一根踝关节连接杆20固连，实现额状轴观与小腿支撑杆26形成矢状面旋转副，额状轴观的中心轴与角接触轴承套筒四内的角接触轴承配合组成额状面旋转副，角接触轴承端盖30的两端分别与垂直轴连接件32的一端和角接触轴承套筒四固连，垂直轴连接件32的另一端与垂直轴33的一个端面紧固， 垂直轴33与滚珠滚针轴承套筒34内的滚珠滚针轴承配合组成水平面旋转副。角接触轴承端盖30主要起到固定角接触轴承和连接角接触轴承套筒四与垂直轴连接件32的作用，在额状轴观、角接触轴承套筒四、垂直轴33、滚珠滚针轴承套筒34上分别设有机械限位凸块， 配合实现踝关节机械限位，保护人体踝关节在正常角度范围内运动。足底支撑包括柔性绑带36、绑带固定件37和底板38，底板38与滚珠滚针轴承套筒34固连，绑带固定件37与底板38固连，柔性绑带36固定在绑带固定件37上。绑带固定件37之间距离调整是为适应不同人不同鞋码的要求。为使用户穿着行走时提供主动性踝背伸，采用滚珠丝杠传动机构将电机转动转换为直线运动，模拟小腿前肌群(胫前肌)及外侧肌群的收缩与拉伸，实现踝关节矢状面运动。 同时根据不同用户体型要求，在结构上尺寸可调，而且踝关节三个自由度的运动范围根据医学数据库中正常人踝关节运动范围设定，依靠机械限位以及控制系统的电气限位实现踝关节三个方向上的角度双重限位和保护，保障舒适性和安全性。行走时，驱动机构提供满足人体踝关节矢状面运动的力矩功率要求，输出标准步态轨迹，纠正足下垂步态。人体踝关节在矢状面做背伸运动同时因为其自身结构，在额状面和水平面产生附属运动，踝关节外骨骼在设计时，在额状面和水平面两个自由度的运动范围满足人体踝关节角度范围要求，随人体踝关节跖屈、背屈运动做从动运动，减少人机耦合力，降低因外骨骼与人体踝关节结构参数的差异造成的伤害和不适性。同时，控制程序根据力传感器等信号反馈，计算外骨骼和人体踝关节人机耦合力，调整输入的人体标准步态踝关节运动曲线，降低人机耦合力，提高训练舒适性，增强安全性，实现提供防止足下垂，激活小腿相关肌群、运动神经，提高足背伸肌群肌力，纠正步态，提高步行能力。
权利要求
1.行走式欠驱动型三自由度踝关节运动康复外骨骼，其特征是包括驱动机构、小腿固定机构、三自由度踝关节机构和足底支撑驱动机构包括由编码器(1)、直流伺服电机(2)、联轴器(8)、丝杠(11)和丝杠螺母(13) 组成的直线传动部分，由电机固定座(5)、长轴(7)、丝杠固定侧支座(9)、支座固定件(10)、 螺母固定件(12)和丝杠支持侧支座(15)组成的支撑架部分，以及由短轴(14)、传感器连接杆(16)、拉压力传感器(17)、铰接件(18)、转动销轴(19)、轴承挡块(21)和两根踝关节连接杆(20)组成的旋转运动部件，直流伺服电机(2)的转轴通过联轴器(8)与丝杠(11)固连， 直流伺服电机固定在电机固定座(5)上，长轴(7)穿过支座固定件(10)和螺母固定件(12) 的光孔，其一端与电机固定座(5)固连，另一端与丝杠支持侧支座(15)的底面固定，支座固定件(10)固定在长轴(7)上，丝杠固定侧支座(9)通过螺钉紧固在支座固定件(10)的槽内， 丝杠(11)与丝杠固定侧支座(9 )固连，螺母固定件(12 )与丝杠螺母(13 )固连，丝杠(11)的末端与安装在丝杠支持侧支座(15)孔内的滚动轴承配合，实现转动副，短轴(14)穿过丝杠支持侧支座(15)的光孔，其一端与与螺母固定件(12)固连，另一端与传感器连接杆(16)固连，传感器连接杆(16)中间的螺纹孔与拉压力传感器(17)的一个螺纹轴紧固，拉压力传感器(17)的另一个螺纹轴与铰接件(18)固连，转动销轴(19)的转动轴与铰接件(18)两侧孔内的滚动轴承配合，实现转动副，两根踝关节连接杆(20)的一端都与转动销轴(19)固连， 其中一根踝关节连接杆(20)固定有轴承挡块(21)；小腿固定机构包括L型连接板(3)、由大U型连接块(4)、小U型连接块(22)、宽度调节板(23)、两个小腿固定件(24)和小腿绑带(25)组成的小腿固定部分以及两根小腿支撑杆 (26), L型连接板(3)—个面上有孔与固定在电机固定座(5)的销轴相连，实现L型连接板 (3)通过销轴绕着电机固定座(5)转动，L型连接板(3)的另一个面与大U型连接块(4)端面固连，大U型连接块(4)开口端的两侧边和小U型连接块(22)开口端的两侧边均开有矩形槽，大U型连接块(4)开口端与小U型连接块(22)开口端相对，通过矩形槽用螺钉固连， 矩形槽位置可调，宽度调节板(23)呈U型状，开口端宽度大于底面宽度，小U型连接块(22) 的底面与宽度调节板(23)的底面固定，两个小腿固定件(24)的一端分别与小腿绑带(25) 的两端相连，两个小腿固定件(24)的另一端均有开口槽，宽度调节板(23)开口端的两侧边分别伸入两个小腿固定件(24)的开口槽中用螺钉螺母固连，实现宽度调节，两根小腿支撑杆(26)的一端分别与两个小腿固定件(24)固连，另一端均设有转轴，该两根转轴分别与两根踝关节连接杆(20)孔内的轴承配合实现旋转副；三自由度踝关节机构包括额状轴(28)、角接触轴承套筒(29)、角接触轴承端盖(30)、 垂直轴连接件(32)、垂直轴(33)和滚珠滚针轴承套筒(34)，额状轴(28)由同轴线相连的块体(27)和中心轴(31)构成，额状轴(28)的块体与一根踝关节连接杆(20)固连，实现额状轴 (28)与小腿支撑杆(26)形成矢状面旋转副，额状轴(28)的中心轴与角接触轴承套筒(29) 内的角接触轴承配合组成额状面旋转副，角接触轴承端盖(30)的两端分别与垂直轴连接件 (32)的一端及角接触轴承套筒(29)固连，垂直轴连接件(32)的另一端与垂直轴(33)的一个端面紧固，垂直轴(33)与滚珠滚针轴承套筒(34)内的滚珠滚针轴承配合组成水平面旋转副；足底支撑包括柔性绑带(36)、绑带固定件(37)和底板(38)，底板(38)与滚珠滚针轴承套筒(34)固3 ，绑带固定件(37)与底板(38)固3 ，柔性绑带(36)固定在绑带固定件(37)上。
全文摘要
本发明公开的行走式欠驱动型三自由度踝关节运动康复外骨骼，包括驱动机构、小腿固定机构、三自由度踝关节机构和足底支撑。对于足下垂患者，本发明可以利用事先编好的步行程序用作辅助行走、纠正步态的工具。在人进行步行训练时，人体踝关节在矢状面会根据输入控制器的踝关节角度曲线转动，输入的标准关节角度曲线可以根据人机相互作用力自适应调整，外骨骼提供人体踝关节矢状面正常运动的驱动力，同时满足其他两个自由度的运动范围，防止由于足下垂产生的拖曳和冲击对足部造成伤害和对日常生活的妨碍，增强足下垂病人的背屈能力。
文档编号A61F4/00GK102302404SQ20111018123
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者余晖, 杨灿军, 王东海 申请人:浙江大学