专利名称：并联结构式踝关节康复训练器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种康复工程技术领域的装置，具体是一种并联结构式踝关节康复训练器。
背景技术：
每年世界上都有大量的人因为事故或疾病等原因导致身体残疾或瘫痪，失去正常的行动能力。临床医学经验表明，正确、科学的康复训练对肢体运动功能恢复和提高能够起到非常重要的作用。目前，肢体康复训练主要是通过专业护理人员人工模拟患者肢体的关节运动实现，这种方法对专业护理人员的素质要求较高，专业护理人员的劳动强度较大，对患者而言，医疗费用高，灵活性较差。为了解决这一问题，各种主动式康复设备被设计开发出来，以提高康复训练的有效性、灵活性和全面性。
本发明主要针对的是踝关节的康复训练设备。由人体解剖学可知，踝关节可视为绕定点转动的球面关节，能够实现背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动。目前踝关节康复训练器的主要结构形式为单自由度的转动铰链，仅实现踝关节的背伸/跖屈运动， 难以满足踝关节全面康复训练的要求。经对现有相关技术文献的检索发现，中国专利申请号为200810034002. 7，名称为“并联式多自由度假肢外骨骼踝关节”，该外骨骼踝关节虽然采用了多自由度并联机构，但是3-RPS型并联机构仅能实现两个方向的转动，且转动中心不固定。中国专利申请号为200820073836. 4，名称为“一种踝关节康复机器人”，该踝关节康复机器人虽然采用了具有三个转动自由度的并联机构，但是其固定的转动中心与踝关节并不重合，因此难以有效实现踝关节的康复训练。中国专利申请号为201010600198. 9，名称为“并联式踝关节康复训练器”，该康复训练器的转动中心与踝关节重合，但仅实现背伸/ 跖屈、内翻/外翻运动，因此康复训练并不全面。发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点，提供一种多自由度踝关节康复训练器，能够满足踝关节三个方向转动的需要，且转动中心与踝关节重合，提供主动驱动帮助患者进行踝关节康复训练。
本发明是通过以下技术方案实现的一种并联结构式踝关节康复训练器，包括 大腿支撑座、大腿支撑座内杆、大腿支撑座外杆、小腿连接套、足底支撑板、基板，其中，大腿支撑座外杆与基板固定连接；大腿支撑座与大腿支撑座内杆固定连接，大腿支撑座内杆连接在所述大腿支撑座外杆上；小腿连接套与大腿支撑座外杆固定连接，其特征在于，还包括长度能够伸缩的第一运动支链与第二运动支链，所述第一运动支链与第二运动支链的上端均通过球铰与足底支撑板连接，第一运动支链与第二运动支链的下端均通过虎克铰与基板连接；以及第三运动支链，所述第三运动支链的一端能够绕自身延伸方向回转，所述第三运动支链的上端以及下端分别通过虎克铰与足底支撑板以及基板连接。
优选的，所述大腿支撑座内杆与所述大腿支撑座外杆滑动连接，锁紧螺钉将所述大腿支撑座内杆与所述大腿支撑座外杆固定连接。
优选的，所述的第一运动支链包括第一伸缩杆、第一直线轴承、第一外套筒、第一滚珠丝杠、第一滚珠螺母、第一轴承座、第一轴承、第一丝杠同步带轮、第一连接套筒、第一虎克铰输出轴、第一虎克铰固定基座、第一同步齿形带、第一电机同步带轮、第一电机连接板、第一伺服电机、第一导向键，其中第一伸缩杆套接在第一直线轴承内部，第一直线轴承安装于第一外套筒上端；第一伸缩杆下端还与第一滚珠螺母固定连接，第一滚珠螺母螺纹套接在第一滚珠丝杠之上，且第一滚珠螺母还与第一导向键固定连接，第一导向键与第一外套筒内壁滑动设置；第一滚珠丝杠下端通过第一轴承支撑在第一轴承座之上，第一轴承座固定于第一外套筒下端，第一丝杠同步带轮安装于第一滚珠丝杠下端，第一丝杠同步带轮通过第一同步齿形带与第一电机同步带轮连接，第一电机同步带轮安装于第一伺服电机的输出轴，第一伺服电机通过第一电机连接板与第一外套筒固定连接，第一外套筒、第一电机连接板通过第一连接套筒与第一虎克铰输出轴固定连接；第一虎克铰输出轴转动连接在第一虎克铰固定基座上，第一虎克铰固定基座固定在基板上。所述的第二运动支链与第一运动支链结构相同。
优选的，所述的第三运动支链包括第三上虎克铰、第三伸缩杆、第三直线轴承、第三外套筒、回转轴、第三轴承座、第三轴承、回转轴同步带轮、第三连接套筒、第三下虎克铰输出轴、第三下虎克铰固定基座、第三同步齿形带、第三电机同步带轮、第三电机连接板、第三伺服电机，其中第三伸缩杆套接在第三直线轴承内部，第三直线轴承安装于第三外套筒上端；第三伸缩杆下端还与回转轴通过棱柱副套接；回转轴下端通过第三轴承支撑在第三轴承座之上，第三轴承座固定于第三外套筒下端，回转轴同步带轮安装于回转轴下端，回转轴同步带轮通过第三同步齿形带与第三电机同步带轮连接，第三电机同步带轮安装于第三伺服电机的输出轴，第三伺服电机通过第三电机连接板与第三外套筒固定连接，第三外套筒、第三电机连接板通过第三连接套筒与第三下虎克铰输出轴固定连接；第三伸缩杆的上端通过第三上虎铰与足底支撑板铰接；第三下虎克铰输出轴转动连接在第三下虎克铰固定基座上，第三下虎克铰固定基座固定在基板上。
本发明采用2-UPS/UCU/S型并联机构，具有三个转动自由度，且其转动中心为踝关节，真正实现踝关节背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动，仿生性高；结构对称， 运动实现简单。
图1是本发明的整体结构示意图2是第一运动支链的结构示意图3是第三运动支链的结构示意图4是本发明的等效2-UPS/U⑶/S型并联机构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括大腿支撑座1、大腿支撑座内杆2、锁紧螺钉3、大腿支撑座外杆4、小腿连接套10、足底支撑板9、第一运动支链7、第二运动支链8、第三运动支链 6、基板5，其中大腿支撑座外杆4与基板5固定连接；大腿支撑座1与大腿支撑座内杆2 固定连接，大腿支撑座内杆2与所述大腿支撑座外杆4滑动连接，具体而言，大腿支撑座内杆2在大腿支撑座外杆4中伸缩以调整合适的大腿支撑高度，并通过锁紧螺钉3锁紧固定； 小腿连接套10与大腿支撑座外杆4固定连接；长度能够伸缩的第一运动支链7、第二运动支链8及第三运动支链6的上端均与足底支撑板9连接，第一运动支链7、第二运动支链8 及第三运动支链9的下端均与基板5连接。
如图2所示的第一运动支链7，图中左侧为第一运动支链7的上端。所述的第一运动支链7包括第一伸缩杆11、第一直线轴承12、第一外套筒13、第一滚珠丝杠14、第一滚珠螺母15、第一轴承座16、第一轴承17、第一丝杠同步带轮18、第一连接套筒19、第一虎克铰输出轴20、第一虎克铰固定基座21、第一同步齿形带22、第一电机同步带轮23、第一电机连接板M、第一伺服电机25、第一导向键沈，其中第一伸缩杆11套接在第一直线轴承12 内部，第一直线轴承12安装于第一外套筒13上端；第一伸缩杆11下端还与第一滚珠螺母 15固定连接，第一滚珠螺母15螺纹套接在第一滚珠丝杠14之上，且第一滚珠螺母15与第一导向键沈固定连接，第一导向键沈与第一外套筒13内壁滑动设置，则第一滚珠螺母15 也与第一外套筒13内壁滑动设置；第一滚珠丝杠14下端通过第一轴承17支撑在第一轴承座16之上，第一轴承座16固定于第一外套筒13下端，第一丝杠同步带轮18安装于第一滚珠丝杠14下端，第一丝杠同步带轮18通过第一同步齿形带22与第一电机同步带轮23连接，第一电机同步带轮23安装于第一伺服电机25的输出轴，第一伺服电机25通过第一电机连接板M与第一外套筒13固定连接，第一外套筒13、第一电机连接板M通过第一连接套筒19与第一虎克铰输出轴20固定连接。第一伸缩杆11的上端通过第一球铰43与足底支撑板9铰接；第一虎克铰输出轴20转动连接在第一虎克铰固定基座21上，第一虎克铰固定基座21固定在基板5上。
所述的第二运动支链8与第一运动支链7结构相同，且第二运动支链8的上端通过第二球铰45与足底支撑板9铰接、下端通过第二虎克铰固定基座44固定在基板5上。
如图3所示的第三运动支链6，图中右侧为第一运动支链6的上端。所述的第三运动支链6包括第三上虎克铰27、第三伸缩杆观、第三直线轴承四、第三外套筒30、回转轴 31、第三轴承座32、第三轴承33、回转轴同步带轮34、第三连接套筒35、第三下虎克铰输出轴36、第三下虎克铰固定基座37、第三同步齿形带38、第三电机同步带轮39、第三电机连接板40、第三伺服电机41，其中第三伸缩杆观套接在第三直线轴承四内部，第三直线轴承四安装于第三外套筒30上端；第三伸缩杆观下端还与回转轴31通过棱柱副套接；回转轴 31下端通过第三轴承33支撑在第三轴承座32之上，第三轴承座32固定于第三外套筒30 下端，回转轴同步带轮34安装于回转轴31下端，回转轴同步带轮34通过第三同步齿形带 38与第三电机同步带轮39连接，第三电机同步带轮39安装于第三伺服电机41的输出轴， 第三伺服电机41通过第三电机连接板40与第三外套筒30固定连接，第三外套筒30、第三电机连接板40通过第三连接套筒35与第三下虎克铰输出轴36固定连接。第三伸缩杆观的上端通过第三上虎铰27与足底支撑板9铰接；第三下虎克铰输出轴36转动连接在第三下虎克铰固定基座37上，第三下虎克铰固定基座37固定在基板5上。
所述第一运动支链7、第二运动支链8、第三运动支链6分别通过第一球铰43、第二球铰45、第三上虎克铰27与足底支撑板9铰接。
所述第一运动支链7、第二运动支链8、第三运动支链6分别通过第一虎克铰固定基座21 (42)、第二虎克铰固定基座44、第三下虎克铰固定基座37与基板5固定连接。
本实施例通过采用上述结构，形成2-UPS/U⑶/S型并联机构(其中U-虎克铰， P-移动副，S-球铰，C-圆柱副)，其等效结构示意图如图4所示，第一运动支链7、第二运动支链8、第三运动支链6的下端在点Bi、B2、B3处通过虎克铰与静平台相连；第一运动支链 7、第二运动支链8上端在点PI、P2处通过球铰与动平台相连，第三运动支链6上端在0点通过虎克铰与动平台相连；第一运动支链7、第二运动支链8本身形成移动副，第三运动支链6本身为圆柱副；通过上述3套结构可在动平台与静平台之间形成等效球铰46 (即所谓的2-UPS/UCU/S)，球铰46为静平台和动平台之间的约束铰链，即动平台只能相对静平台转动。通过改变三个运动支链的长度以驱动动平台产生相对于静平台的运动，在球铰46的约束下，动平台能够实现绕χ轴、y轴和ζ轴的转动。本实施例将静平台选为基板5，动平台选为足底支撑板9，而约束球铰46选为训练者的踝关节，因此动平台绕球铰46的转动就等效为踝关节的背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动。
本实施例工作时，训练者呈坐姿，大腿放置在大腿支撑座1上，脚放置于足底支撑板9，小腿与小腿连接套10连接。对于第一运动支链、第二运动支链，由伺服电机通过电机同步带轮和丝杠同步带轮带动滚珠丝杠转动，进而实现滚珠螺母和伸缩杆产生相对于外套筒的伸缩运动；对于第三运动支链，由伺服电机通过电机同步带轮和回转轴同步带轮带动回转轴和伸缩杆转动，进而通过上虎克铰实现动平台的回转。在对整个康复训练器进行运动控制时，将球铰46建立在训练者的踝关节处，对于每个训练者而言，需要具体测量其体格参数才能得到其踝关节相对于足底支撑板9的位置，从而建立球铰46。在踝关节的约束下，当第一运动支链、第二运动支链伸缩方向相同时，产生踝关节的背伸/跖屈运动；当第一运动支链、第二运动支链伸缩方向相反时，产生踝关节的内翻/外翻运动；当第三运动支链回转时，产生踝关节的内旋/外旋运动。
本实施例的踝关节康复训练器由于能够实现三个转动，且转动中心与踝关节重合，因而能够逼真模拟踝关节的背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋运动，提高了踝关节康复训练的全面性和有效性。第一运动支链、第二运动支链成对称布置，能够以简单的方式实现三种运动。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种并联结构式踝关节康复训练器，包括大腿支撑座、大腿支撑座内杆、大腿支撑座外杆、小腿连接套、足底支撑板、基板，其中，大腿支撑座外杆与基板固定连接；大腿支撑座与大腿支撑座内杆固定连接，大腿支撑座内杆连接在所述大腿支撑座外杆上；小腿连接套与大腿支撑座外杆固定连接，其特征在于，还包括长度能够伸缩的第一运动支链与第二运动支链，所述第一运动支链与第二运动支链的上端均通过球铰与足底支撑板连接，第一运动支链与第二运动支链的下端均通过虎克铰与基板连接；以及第三运动支链，所述第三运动支链的一端能够绕自身延伸方向回转，所述第三运动支链的上端以及下端分别通过虎克铰与足底支撑板以及基板连接。
2.如权利要求1所述的并联结构式踝关节康复训练器，其特征在于所述大腿支撑座内杆与所述大腿支撑座外杆滑动连接，锁紧螺钉将所述大腿支撑座内杆与所述大腿支撑座外杆固定连接。
3.如权利要求1所述的并联结构式踝关节康复训练器，其特征在于所述的第一运动支链包括第一伸缩杆、第一直线轴承、第一外套筒、第一滚珠丝杠、第一滚珠螺母、第一轴承座、第一轴承、第一丝杠同步带轮、第一连接套筒、第一虎克铰输出轴、第一虎克铰固定基座、第一同步齿形带、第一电机同步带轮、第一电机连接板、第一伺服电机、第一导向键，其中第一伸缩杆套接在第一直线轴承内部，第一直线轴承安装于第一外套筒上端；第一伸缩杆下端还与第一滚珠螺母固定连接，第一滚珠螺母螺纹套接在第一滚珠丝杠之上，且第一滚珠螺母还与第一导向键固定连接，第一导向键与第一外套筒内壁滑动设置；第一滚珠丝杠下端通过第一轴承支撑在第一轴承座之上，第一轴承座固定于第一外套筒下端，第一丝杠同步带轮安装于第一滚珠丝杠下端，第一丝杠同步带轮通过第一同步齿形带与第一电机同步带轮连接，第一电机同步带轮安装于第一伺服电机的输出轴，第一伺服电机通过第一电机连接板与第一外套筒固定连接，第一外套筒、第一电机连接板通过第一连接套筒与第一虎克铰输出轴固定连接；第一虎克铰输出轴转动连接在第一虎克铰固定基座上，第一虎克铰固定基座固定在基板上。
4.如权利要求3所述的并联结构式踝关节康复训练器，其特征在于所述的第二运动支链与第一运动支链结构相同。
5.如权利要求1所述的并联结构式踝关节康复训练器，其特征在于所述的第三运动支链包括第三上虎克铰、第三伸缩杆、第三直线轴承、第三外套筒、回转轴、第三轴承座、第三轴承、回转轴同步带轮、第三连接套筒、第三下虎克铰输出轴、第三下虎克铰固定基座、第三同步齿形带、第三电机同步带轮、第三电机连接板、第三伺服电机，其中第三伸缩杆套接在第三直线轴承内部，第三直线轴承安装于第三外套筒上端；第三伸缩杆下端还与回转轴通过棱柱副套接；回转轴下端通过第三轴承支撑在第三轴承座之上，第三轴承座固定于第三外套筒下端，回转轴同步带轮安装于回转轴下端，回转轴同步带轮通过第三同步齿形带与第三电机同步带轮连接，第三电机同步带轮安装于第三伺服电机的输出轴，第三伺服电机通过第三电机连接板与第三外套筒固定连接，第三外套筒、第三电机连接板通过第三连接套筒与第三下虎克铰输出轴固定连接；第三伸缩杆的上端通过第三上虎铰与足底支撑板铰接；第三下虎克铰输出轴转动连接在第三下虎克铰固定基座上，第三下虎克铰固定基座固定在基板上。
全文摘要
本发明涉及一种并联结构式踝关节康复训练器，包括大腿支撑座、大腿支撑座内杆、大腿支撑座外杆、小腿连接套、足底支撑板、基板；长度能够伸缩的第一运动支链与第二运动支链，所述第一运动支链与第二运动支链的上端均通过球铰与足底支撑板连接，第一运动支链与第二运动支链的下端均通过虎克铰与基板连接；以及第三运动支链，所述第三运动支链的一端能够绕自身延伸方向回转，所述第三运动支链的上端以及下端分别通过虎克铰与足底支撑板以及基板连接。本发明采用2-UPS/UCU/S型并联机构，具有三个转动自由度，且其转动中心为踝关节，真正实现踝关节背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动，仿生性高；结构对称，运动实现简单。
文档编号A61H1/00GK102499854SQ20111036969
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者印松 申请人:上海电机学院