一种踝关节运动矫形器的制作方法

本发明属于康复运动设备领域，涉及一种踝关节运动矫形器。

背景技术：

1、随着人口老龄化问题的日益加剧，我国患脑卒中的人数也在逐年增加，脑卒中可导致人体步态运动障碍，影响患者的日常生活，从而严重影响生活质量，医学研究表明，必要的物理康复可促进患者身体运动机能恢复，但是步态康复运动是一项耗时长、动作重复性强的运动，对医护人员体能消耗较大，因此研发仿生的步态训练设备十分必要，求其是对末端肢体踝关节等的运动的康复设备，既可以帮助患者康复训练，又可以减轻医护人员的工作负担。

2、目前步态训练设备种类较多，如足部运动轨迹为圆形的脚踏车，足部运动轨迹为椭圆形的椭圆健身机等，它们多是以健康人为服务对象进行开发的设备，增强使用者的肌肉力量，而对于康复患者而言，训练设备应该以符合仿生学需求去训练关节运动。因此，依据健康人步态过程中的踝关节运动轨迹，遵循仿生学与人体工程学要求去设计一款结构紧凑，运动仿生的行走过程中的仿生踝关节矫形器，在医疗康复设备研究领域具有重大意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种踝关节运动矫形器，解决现有康复设备仅注重力量训练，不注重运动仿生与矫形的问题，通过结构变换，设备可实现多种工作模式，满足更多人的需要。以实现健康人体步态运动时踝关节的三维运动轨迹为目标，设计丝杠螺母与三个并联的旋转副和移动副结构，驱动踝关节实现仿生运动轨迹，以安装在足部机构上的三个力传感器为输入量，建立包含导纳控制外环与pid控制内环的控制方法，实现人机柔顺交互，提升患者使用的舒适性。

2、为达到上述目的，本发明通过如下技术方案予以实现：

3、所述的一种踝关节运动矫形器，包括扶手机构1、驱动箱2、足部机构3，所述扶手机构1固连在驱动箱2的两侧，足部机构3安装驱动箱2的矩形孔上方，可沿孔移动。

4、所述的扶手机构1包括方形盖板101、第一锥齿轮102、第二锥齿轮103、第一套管104、把手105、螺纹异形杆106、螺纹套管107、蜗轮108、蜗杆109、第二套管110、支架111、第一电机112，所述支架111固连在驱动箱2的两侧，第二套管110下端固连在支架111的上端，螺纹异形杆106下段方形轴穿入螺纹套管107、蜗轮108与第二套管110的中间孔，螺纹异形杆106上段螺纹处于螺纹套管107内部上段螺纹配合，蜗轮108与蜗杆109安装在第二套管110上端凹槽内部，实现蜗杆109带动蜗轮108运动，蜗轮109带动嵌入内部方孔的螺纹异形杆106旋转，实现螺纹异型杆106旋转上升，第一电机112固连在第二套管110的上端，第一电机112输出轴与蜗杆109固连，第一锥齿轮102下段光轴嵌套在第一套管104的上端凹槽内，两者之间可自由旋转，但无法脱离，螺纹异形杆106上端插入第一套管104的下段孔内，其上端与第一锥齿轮102下端固连，第一套管104嵌套在螺纹套管107的外部，两者之间存在矩形凹槽与矩形凸起，确保螺纹套管107仅可沿第一套管104的轴线移动，不发生相对转动，两个所述的第二锥齿轮103与第一锥齿轮102两端啮合，两个所述把手105固连在两个所述的第二锥齿轮103中间孔内，当螺纹异型杆106旋转上升时，驱动第一锥齿轮102带动两个所述的第二锥齿轮103运动，进而带动两个所述把手105旋转，实现设备的姿态变换，方形盖板101固连在第一套管104的上端口。

5、所述的驱动箱2包括第一箱盖201、第二电机202、联轴器203、轴承支座204、第一轴承205、第一丝杠206、滑台207、第二箱盖208，所述第二电机202固连在第二箱盖208低面，第一轴承205安装在轴承支座204内部，联轴器203一端固连在第二电机202的输出轴上，联轴器203另外一端与穿过第一轴承205的第一丝杠206一端固连，滑台207螺纹孔安装在第一丝杠206上，滑台207底部与第二箱盖208底面接触，实现第一丝杠206旋转时，驱动滑台207沿第一丝杠206的轴线方向运动，第一箱盖201固连在第二箱盖208上方。

6、所述的足部机构3包括脚踝绑带301、脚面绑带302、足部上平台303、球窝座304、球头连杆305、方盖306、第一套盒307、第一套盒座308、第二套盒309、第四套杆310、第二轴承311、第二套盒座312、第二丝杠313、第三轴承314、第三套盒315、足部下平台316、第一齿轮317、第二齿轮318、传动带319、第三电机320、力传感器321，所述脚踝绑带301与脚面绑带302固连在足部上平台303上端面，力传感器321安装在足部上平台303后部三个突出圆台与三个所述的球窝座304之间，球头连杆305上端圆球嵌入球窝座304的底部圆孔内，形成球副连接，球头连杆305下端与方盖306上端旋转连接，方盖306下端固连在第一套盒307的上端，第一套盒座308固连在第一套盒307的下端，第一套盒307插入第二套盒309内方孔中，第四套杆310上段螺纹与第一套盒座308内螺纹配合，第四套杆310下端通过第二轴承311安装在第二套盒座312上端，第二套盒座312下端固连在第三套盒315的上端口，第二套盒309插入第三套盒315内方孔中，第三套盒315固连在足部下平台316上端面，第二丝杠313外螺纹与第二套盒座312内螺纹配合，同时第二丝杠313上段插入第四套杆310的下段内孔中，第二丝杠313外部矩形凸块与第四套杆310内部矩形凹槽配合，确保第四套杆310与第二丝杠313同时转动，第二丝杠313下段穿过第三轴承314内孔、足部下平台316内孔与第二齿轮318固连，第一齿轮317与第二齿轮318均固连在足部下平台316的下端面，传动带319连接第一齿轮317与第二齿轮318，第三电机320的输出轴穿过足部下平台316的圆孔与第一齿轮固连，实现第三电机320旋转时，通过传动带319驱动第二齿轮318旋转运动，第二齿轮318与第二丝杠313、第四套杆310共同旋转，通过螺纹带动第一套盒307与第二套盒309伸缩运动，第三电机320固连在足部下平台316的上端面。

7、所述的一种踝关节运动矫形器包含一种导纳控制外环与pid位置控制内环的控制方法，所述的一种导纳控制外环与pid位置控制内环的控制方法，首先，以人体步态运动中右脚触地时刻为零时刻位置，以此状态下骨盆中心在地面投影点为 p为原点，人体前进方向为 y轴，竖直向上为 z轴，通过右手定则确定 x轴方向，建立定坐标系 p-xyz,以用户踝关节中心在足部下平台316的投影位置为 o，踝关节跖屈/背屈轴和内翻/外翻轴在足部下平台316的投影分别为 x轴和 y轴，右手定则确定 z轴方向，建立足部运动坐标系 o-xyz，其次，所述的导纳控制外环实时检测足部机构3中三个所述的力传感器321的数值，以足后侧的力传感器321数值为 f1，足内侧和外侧的力传感器321数值为 f2和  f3，通过矢量计算得到用户足部与足部下平台316之间沿y轴、z轴、绕 x、绕  y轴的交互力 f y  、 f z、 m x和 m y，求它们与健康人体步态运动中足部沿 y轴、 z轴、绕 x、绕  y轴的期望交互力 f ye、 f ze、 m xe和 m ye的差值，得差值δ f y、δ f z、δ m x和δ m y，将差值输入到导纳控制器后，输出步态运动中足部沿 y轴的轨迹差值δ y，足部沿 z轴的轨迹差值δ z，踝关节跖屈/背屈差值角度δ α，踝关节内翻/外翻的差值δ β，最后，将健康人体在步态运动中足部沿 y轴的期望轨迹 y e、足部沿 z轴的期望轨迹 z e、踝关节跖屈/背屈角度 α和内翻/外翻运动 β分别与δ y、δ z、δ α和δ β进行矢量求和后，输入到pid位置控制器，驱动设备运动，并将设备的反馈实时传输到输入处，最终实现设备辅助用户仿生运动的目的。

8、本发明的有益效果在于：依据健康人步态行走时的踝关节运动轨迹，设计机械结构，并控制电机速度实现仿生助动的运动矫形效果，扶手机构可变换不同的形态，对应设备的多种工作模式，满足不同人群的相应需要，通过滑台在丝杠上运动与多级套杆伸缩运动，实现足部下平台的仿生三维运动轨迹，通过安装在足部下平台不同位置的多维力传感器，测量足部下平台不同方向的受力，并通过所建立的包含导纳控制外环与pid位置控制内环的控制方法，控制电机驱动设备，确保了人机交互的柔顺性，提升了使用舒适度，所设计的康复设备，功能多样，结构紧凑，可有效帮助患者在步行状态下训练步态和踝关节运动矫形，为智能仿生运动康复设备提供一种新方案。