专利名称：一种具有球销副的踝关节辅助康复装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种人类脚部康复装置，具体地说是一种具有球销副的踝关节辅助康复装置。
背景技术：
由于踝关节装置对人体运动的重要性，在康复医学工程方面，对踝关节装置的研究也越来越多，目前公开的踝关节装置结构有许多种机器人中用到，主要由日本HONDA公司继P2、P3之后推出的仿人机器人ASM0，日本索尼公司推出的SDR-4紧凑型仿人机器人，川田工业株式会社(Kawada)和日本产业综合研究所(AlST)推出的HRP — 4仿人机器人，日本东京大学的微型仿人机器人UT-μ 2，韩国先进科技研究所(KAIST)发表的HUBO机器人以及HSR系列机器人，中国清华大学研制的ΤΗΒΙΡ-ΙΙ，北京理工大学和中科院沈阳自动化所合作研制的仿人机器人BHR-2和BHR-3 ;这些机器人踝关节装置通常具有两个自由度，其具有的前摆和侧摆两个关节，轴线垂直相交(即胡克铰结构)，这种自由度配置及其驱动方式的踝部结构复杂。美国麻省理工学院的M2双足机器人能够实现3D被动动态行走，其踝关节装置也采用2自由度的胡克铰机构，由安置在腿部上方的两个电机通过并联机构传动实现运动控制，以减轻腿的摆动惯性。其它如德国墨尼黑技术大学应用力学实验室研制的仿人机器人Johnnie、波士顿动力学公司研制的液压驱动类人双足机器人PETMAN及PETMAN II(Atlas)，哈尔滨工程大学研制的两足步行机器人HEUBR_1，踝关节装置都采用了并联机构驱动方式的2自由度机构。Ohio大学郑元芳博士研制的双足步行机器人SD-2具有两个踝部关节自由度，且两关节轴线 呈现串联、空间垂直交叉的布置方式，由电机直接装在转轴上来驱动。与此类似的，还有中国国防科技大学研制的中国第一台类人型双足步行机器人“先行者”，哈尔滨工业大学研制的HIT-1II双足步行机器人。这种自由度配置及其驱动机构方式简单，但是电机及其减速装置增大了腿的摆动惯量，不利于驱动及控制，难以实现快速行走。为模拟人类从足根滚动到脚趾的自然动态行走步态，部分仿人机器人在足部设置一个跖趾自由度，从而使踝足机构自由度达到3个。如日本早稻田大学高西淳夫研制的仿人机器人WABIAN-2R和丹麦Aalborg大学研制的仿人机器人AAU-B0T1，采用直流伺服电机驱动，通过谐波传动齿轮、同步带、滑轮等减速。其踝关节装置为2自由度，且两个旋转轴线垂直相交，但脚部加有一个被动转动的趾关节。日本东京大学H7、德国墨尼黑技术大学LOLA、新加坡南阳理工大学LOCH等仿人双足步行机器人的踝关节装置有2个自由度，足趾关节I个主动自由度，可以模拟人的足尖行走功能。综上所述，受驱动和控制困难所限，现有仿人机器人踝关节装置机构大多采用相邻轴线垂直交叉于一点或空间垂直交叉的转动轴线，驱动大都采用电机+齿轮、滚珠丝杠或连杆机构等刚性传动方式。而踝关节装置损伤或手术之后，如何使踝关节装置尽快恢复其机能，无疑也是一个重大的课题，国内外很多学者都开始研究踝关节装置康复机构，随着机电一体化技术的发展，陆续出现了很多由伺服电机控制的持续被动运动康复器，Salter R.B.等人研制的R机构、RR机构及RR/RRR并联关节机器人，均能实现踝关节装置符合康复要求的训练。美国新泽西大学研制的基于Stewart机构，具有6个自由度的并联踝关节装置康复机器人，其运动平台可以实现3维转动，同时还会带动脚掌和小腿进行移动，结合虚拟现实系统，可以使患者模拟进行多种情景下的康复训练。李丹提出了 4-UP(Pe)S/S生物融合踝关节装置康复机器人，其机构系统由简化为球副的人体踝关节装置和机械本体共同构成，能够实现以踝关节装置为转动中心的康复训练。而边辉等人提出的一种2-RRR/UPRR踝关节装置康复机器人，实现了踝关节装置中心与康复器运动中心始终一致，更利于踝关节装置的快速康复，避免二次损伤。综上所述，现有的仿人机器人踝关节装置机构复杂且笨重，而现有的踝关节装置康复机构存在如下问题:
(1)机构自由度不足:机器人只能实现绕I个或2个轴的转动，不能实现绕踝关节装置中心点的3维复合转动，影响康复效果。如:R机构、RR机构、RR/RRR机构；
(2)机构自由度冗余:机器人除可以实现3维转动外，还具有3个移动自由度，当固定着脚的运动平台移动时，若小腿不能随动或随动不及时，则会造成踝关节装置的二次损伤。如:6-SPS机构；
(3)机构转动中心不能与踝关节装置中心相重合。在康复运动过程中，踝关节装置随机构转动的同时必伴有移动，此时小腿就需随动。如果小腿协调的不到位，轻则达不到运动角度影响康复进度，重则导致踝关节装置二次损伤。如:3-SPS/S、3-PSS/S、4-SPS/S ；
(4)机构对踝关节装置存在非期望作用力，基于生物融合理念发明的踝关节装置康复机器人，踝关节装置中心直接充当机构系统转动中心，利用人体关节的运动学性能来约束机械结构的移动自由度，使得踝关节装置承受3个方向的作用力，不利于患处的早期康复。如:4-UP(Pe)S/S ；
(5)机构复杂。如:2-RRR/UPRR。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两自由度、但能近似实现三维运动，在康复运动过程中踝关节装置随机构只有转动没有移动，结构简单，能实现踝关节装置损伤后恢复机能的一种具有球销副的踝关节辅助康复装置。本发明的技术方案是:一种具有球销副的踝关节辅助康复装置，它包括上平台和下平台，上平台和下平台之间设有背屈/跖屈驱动装置、内翻/外翻驱动装置和踝关节装置，背屈/跖屈驱动装置通过球销副分别与上平台和下平台连接，内翻/外翻驱动装置通过球销副与上平台和下平台连接。所述上平台上安装有脚扣组合件，脚扣组合件包括柔性可动架和固定架，固定架通过螺钉固定连接在上平台上，柔性可动架的一端通过螺钉固定连接在上平台上，柔性可动架的另一端与固定架粘接；下平台上设有控制装置。所述踝关节装置包括球杯、螺钉、圆球、圆销和球销盖I，球杯、螺钉、圆球、圆销及球销盖1组成球销副连接，球杯与球销盖I通过螺钉固定连接，圆球包裹在球杯和球销盖I中间，圆销固定在圆球上，在球杯上设有上长槽，在球销盖I上设有下长槽，踝关节装置的一端通过球杯固定连接在上平台上，踝关节装置的另一端通过圆球固定连接在下平台上。
所述背屈/跖屈驱动装置包括上连接座、球销盖I1、螺钉、移动箱、圆销、弹簧、螺母、滑块、螺钉、丝杠、螺钉、双耳连接件、螺钉、紧定螺钉、电机、U型连接件、球销盖II1、下连接座、圆销盖III ;上连接座固定连接在上平台上，下连接座固定连接在下平台上，U型连接件的一端为球体，球销盖III包裹在球体上，球销盖III与下连接座连接，安装在球体上的圆销穿过球销盖II上的长槽，可以实现沿长槽的运动，U型连接件与上连接座形成球销副连接，电机依靠端面法兰定位，电机通过螺钉与双耳连接件固定连接，双耳连接件通过螺钉固定在U型连接件上，电机输出轴插入丝杠一端的内孔通过紧定螺钉与丝杠形成连接，传递运动，丝杠与螺母组成丝杠螺母副，螺母通过螺钉与滑块连接，滑块可以沿移动箱上所加工的长槽移动，在螺母上下两端安装有弹簧，形成一种丝杠旋转，驱动螺母上下移动，螺母的上下移动通过压缩移动箱，带动移动箱运动的方式，移动箱通过球销副与上连接座连接。所述背屈/跖屈驱动装置和内翻/外翻驱动装置的结构相同。所述踝关节装置、背屈/跖屈驱动装置形成的平面α与踝关节装置、内翻/外翻驱动装置形成的平面β为90°。所述控制装置包括控制箱、导线；其中导线一端接控制箱，一端接电机。由驱动系统控制上平台、下平台的运动，巧妙的实现了在上平台与下平台之间模拟人脚背屈/跖屈、内翻/外翻运动及其复合运动；背屈/跖屈驱动装置、内翻/外翻驱动装置中的电机、丝杠、滑块和弹簧的相互作用，使得上平台与下平台之间的运动更加协调稳定，可更好的实现脚部的康复。通过驱动系统控制上平台与下平台的运动，巧妙的在上平台与下平台之间实现了模拟人脚背屈/跖屈、内翻/外翻运动及其复合运动。在球杯及球销盖上，沿圆销运动方向开有长槽，以实现球杯及圆球件的相对运动，但阻止各自绕中心线的转动。踝关节装置分别通过球杯和圆球固定连接在上平台和下平台上。安装在球体上的圆销穿过球销盖上的长槽，可以实现沿长槽的运动。U型连接件与连接座形成球销副连接。
本发明具有以下有益效果:(1)本发明中U型连接件与连接台构成的连接副、移动箱与连接台构成的连接副均是球销副，而且踝关节装置采用球销副的形式，从而实现了除自转以外的其它转动，避免了自转带来的问题，具有较高的拟人性；(2)本发明中上平面与下平面的运动，通过伺服电机驱动，上平台与下平台的运动范围及速度的可调节范围大，适用于不同人群及不同康复阶段的治疗要求；(3)本发明中背屈/跖屈驱动装置和内翻/外翻驱动装置的移动箱内置有弹簧、滑块等，电机、丝杠、弹簧、滑块共同作用，形成了局部的柔性连结，使得脚部的运动更加协调稳定，可更好的实现脚部的康复；本发明的两个驱动装置，由于采用了局部的柔性连结。当其中一个驱动系统的电机启动时，但其运动范围较小时，另一个驱动系统的电机可以不启动，采用弹簧的伸缩调节本系统与上平台及下平台两连接点之间的距离变化。如:当装置作背屈/跖屈运动时，若运动的范围小，则内翻/外翻驱动装置的电机不动；若运动的范围大，则内翻/外翻驱动装置的电机需要启动运动。反之亦然。当装置作两个运动的复合运动时，则需要启动两个电机同时运动。本发明可以充分节省能耗。根据患者康复需要，选择不同的电机驱动模式。
图1是人体踝关节装置示意图2是本发明示意图，其中I柔性可动架，3固定架，4上平台，5a背屈/跖屈驱动装置，5b内翻/外翻驱动装置，6下平台，7控制装置，8踝关节装置；
图3是图1中A处的爆炸图，其中51上连接座，52球销盖II，54移动箱，56弹簧，57螺母，58滑块，510丝杠，512双耳连接件，514紧定螺钉，515电机，516U型连接件，517球销盖III，518下连接座；
图4是图1中B处的爆炸图，其中81球杯，83圆球，85球销盖I，86a上长槽，86b下长
槽；
图5是图3中C处的局部爆炸图，其中51上连接座，52球销盖II，54移动箱；
图6是图3中D处的局部爆炸图，其中516U型连接件，517球销盖III，518下连接座。
具体实施例方式一种具有球销副的踝关节辅助康复装置，它包括上平台4和下平台6，上平台4和下平台6之间设有背屈/跖屈驱动装置5a、内翻/外翻驱动装置5b和踝关节装置8，背屈/跖屈驱动装置5a通过球销副分别与上平台4和下平台6连接，内翻/外翻驱动装置5b通过球销副与上平台4和下平台6连接。上平台4上安装有脚扣组合件，脚扣组合件包括柔性可动架I和固定架3，固定架3通过螺钉固定连接在上平台4上，柔性可动架I的一端通过螺钉固定连接在上平台4上，柔性可动架I的另一端与固定架3粘接；下平台6上设有控制装置7。踝关节装置8包括球杯81、螺钉、圆球83、圆销和球销盖I 85，球杯81、螺钉、圆球83、圆销及球销盖I 85组成球销副连接，球杯81与球销盖I 85通过螺钉固定连接，圆球83包裹在球杯81和球销盖I 85中间，圆销固定在圆球83上，在球杯81上设有上长槽86a,在球销盖I 85上设有下长槽86b，踝关节装置8的一端通过球杯81固定连接在上平台4上，踝关节装置8的另一端通过圆球83固定连接在下平台6上，背屈/跖屈驱动装置5a和内翻/外翻驱动装置5b的结 构相同，背屈/跖屈驱动装置5a包括上连接座51、球销盖II 52、螺钉、移动箱54、圆销、弹簧56、螺母57、滑块58、螺钉、丝杠510、螺钉、双耳连接件512、螺钉、紧定螺钉514、电机515、U型连接件516、球销盖III 517、下连接座518、圆销盖III ；上连接座51固定连接在上平台4上，下连接座518固定连接在下平台6上，U型连接件516的一端为球体，球销盖III 517包裹在球体上，球销盖III 517与下连接座518连接，安装在球体上的圆销穿过球销盖II 52上的长槽，可以实现沿长槽的运动，U型连接件516与上连接座51形成球销副连接，电机515依靠端面法兰定位，电机515通过螺钉与双耳连接件512固定连接，双耳连接件512通过螺钉固定在U型连接件516上，电机515输出轴插入丝杠510 —端的内孔通过紧定螺钉514与丝杠510形成连接，传递运动，丝杠510与螺母57组成丝杠螺母副，螺母57通过螺钉与滑块58连接，滑块58可以沿移动箱上所加工的长槽移动，在螺母57上下两端安装有弹簧56，形成一种丝杠旋转，驱动螺母57上下移动，螺母57的上下移动通过压缩移动箱54，带动移动箱54运动的方式，移动箱54通过球销副与上连接座51连接。踝关节装置、背屈/跖屈驱动装置形成的平面α与踝关节装置、内翻/外翻驱动装置形成的平面β为90。，控制装置包括控制箱、导线；其中导线一端接控制箱，一端接电机。本发明的工作过程与原理为:当需要进行踝关节装置的背屈/跖屈辅助康复运动时，通过控制装置7给背屈/妬屈驱动装置5a中的电机515通电，电机515带着丝杠510旋转并带动螺母57移动，当螺母57压缩到弹簧56，在弹簧力的作用下，带动上平台4运动。此时以下平台6为支撑，通过踝关节装置8，推着上平台4沿背屈/跖屈方向偏斜一定的角度， 并作往复运动。当需要康复的脚关节扣定在上平台4上，就可以实现脚部的背屈/跖屈运动；当背屈/跖屈的运动幅度较小时，仅需背屈/跖屈驱动装置5a中的电机515驱动。而当背屈/跖屈的运动幅度达到较大幅度时，还需启动内翻/外翻驱动装置5b中的电机，同时进行伺服驱动。这些不同的运动模式已经事先设定，由控制装置7自动控制完成操作。类似的，当需要进行踝关节装置的内翻/外翻辅助康复运动时，通过控制装置7给内翻/外翻驱动装置5b中的电机515通电，从而实现脚部的内翻/外翻运动。当需要进行背屈/跖屈及内翻/外翻的复合康复运动时，通过控制装置7同时给背屈/跖屈驱动装置5a和内翻/外翻驱动装置5b中的电机515通电，实现了背屈/跖屈和内翻/外翻的复合运动。本发明的弹簧和电机共同作用使得踝关节装置更协调稳定的运动，有利于患者踝关节装置更好的康复。
权利要求
1.一种具有球销副的踝关节辅助康复装置，其特征在于:它包括上平台(4)和下平台(6)，上平台(4)和下平台(6)之间设有背屈/跖屈驱动装置(5a)、内翻/外翻驱动装置(5b)和踝关节装置(8)，背屈/跖屈驱动装置(5a)通过球销副分别与上平台(4)和下平台(6)连接，内翻/外翻驱动装置(5b)通过球销副与上平台(4)和下平台(6)连接。
2.根据权利要求1所述的具有球销副的踝关节辅助康复装置，其特征在于:所述上平台(4)上安装有脚扣组合件，脚扣组合件包括柔性可动架(I)和固定架(3 )，固定架(3 )通过螺钉固定连接在上平台(4)上，柔性可动架(I)的一端通过螺钉固定连接在上平台(4)上，柔性可动架(I)的另一端与固定架(3 )粘接；下平台(6 )上设有控制装置(7 )。
3.根据权利要求1所述的具有球销副的踝关节辅助康复装置，其特征在于:所述踝关节装置(8)包括球杯(81)、螺钉、圆球(83)、圆销和球销盖I (85)，球杯(81)与球销盖I(85)通过螺钉固定连接，圆球(83)包裹在球杯(81)和球销盖I (85)中间，圆销固定在圆球(83)上，在球杯(81)上设有上长槽(86a)，在球销盖I (85)上设有下长槽(86b)，踝关节装置(8)的一端通过球杯(81)固定连接在上平台(4)上，踝关节装置(8)的另一端通过圆球(83)固定连接在下平台(6)上。
4.根据权利要求1所述的具有球销副的踝关节辅助康复装置，其特征在于:所述背屈/跖屈驱动装置(5a)包括上连接座(51)、球销盖II (52)、螺钉、移动箱(54)、圆销、弹簧(56)、螺母(57)、滑块(58)、螺钉、丝杠(510)、螺钉、双耳连接件(512)、螺钉、紧定螺钉(514)、电机(515)、U型连接件(516)、球销盖111(517)、下连接座(518);上连接座(51)固定连接在上平台(4)上，下连接座(518)固定连接在下平台(6)上，U型连接件(516)的一端为球体，球销盖III (517)包裹在球体上，球销盖III (517 )与下连接座(518)连接，电机(515 )通过螺钉与双耳连接件(512 )固定连接，双耳连接件(512)通过螺钉固定在U型连接件(516 )上，电机(515)输出轴插入丝杠(510) —端的内孔通过紧定螺钉(514)与丝杠(510)连接，螺母(57)通过螺钉与滑块(58)连接，在螺母(57)的上下两端安装有弹簧(56)，移动箱(54)通过球销副与上连接座(51)连接。
5.根据权利要求1所述的具有球销副的踝关节辅助康复装置，其特征是:所述内翻/外翻驱动装置(5b)包括上连接座、球销盖I1、螺钉、移动箱、圆销、弹簧、螺母、滑块、螺钉、丝杠、螺钉、双耳连接件、螺钉、紧定螺钉、电机、U型连接件、球销盖II1、下连接座、圆销盖III ；上连接座固定连接在上平台上，下连接座固定连接在下平台上，U型连接件的一端为球体，球销盖III包裹在球体上，球销盖III与下连接座连接，电机通过螺钉与双耳连接件固定连接，双耳连接件通过螺钉固定在U型连接件上，电机输出轴插入丝杠一端的内孔通过紧定螺钉与丝杠连接，螺母通过螺钉与滑块连接，在螺母上下两端安装有弹簧，移动箱通过球销副与上连接座连接。
6.根据权利要求1或2所述的具有球销副的踝关节辅助康复装置，其特征是:所述踝关节装置、背屈/跖屈驱动装置形成的平面α与踝关节装置、内翻/外翻驱动装置形成的平面β为90°。
7.根据权利要求1或2所述的具有球销副的踝关节辅助康复装置，其特征是:所述控制装置包括控制箱、导线；其中导线一端接控制箱，一端接电机。
全文摘要
本发明公开了一种具有球销副的踝关节辅助康复装置，它包括上平台和下平台，上平台和下平台之间设有背屈/跖屈驱动装置、内翻/外翻驱动装置和踝关节装置，背屈/跖屈驱动装置通过球销副分别与上平台和下平台连接，内翻/外翻驱动装置通过球销副与上平台和下平台连接。本发明中U型连接件与连接台构成的连接副、移动箱与连接台构成的连接副均是球销副，而且踝关节装置采用球销副的形式，从而实现了除自转以外的其它转动，避免了自转带来的问题，具有较高的拟人性；本发明可以充分节省能耗。根据患者康复需要，选择不同的电机驱动模式。
文档编号A61F5/01GK103190972SQ20131012669
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月12日 优先权日2013年4月12日
发明者王良文, 王新杰, 王才东, 穆小奇, 李安生 申请人:郑州轻工业学院