生物融合式足关节康复机器人转让专利
申请号 : CN200610048286.6
文献号 : CN100588384C
文献日 : 2010-02-10
发明人 : 赵铁石 , 潘旺 , 李艳文 , 梁志成
申请人 : 燕山大学
摘要 :
本发明公开一种生物融合式足关节康复机器人。其特征是：四个直线驱动单元上端通过万向铰(4)与上平台(16)的安装支架(5)相连，下端通过球副(9)与下平台(12)相连，人脚(11)通过夹持器与下平台(12)固连，小腿(2)通过固定器与上平台(16)相连。直线驱动器(6)可选用丝杠螺母机构、双向运动气缸(22)或电动缸(23)。本发明以人足仿生研究为基础，把人的膝下肢体作为运动分支融合到机构系统中。本康复机器人具有多个自由度，能够实现各种复杂的康复运动，转动铰点与足关节转动铰点完全重合。并可将康复过程中的数据用于诊断治疗。因此本发明具有结构简单新颖，安全可靠，运动灵活，能够实现全方向的关节功能康复，能很好地适应人足生理结构等优点。
权利要求 :
1.一种生物融合式足关节康复机器人，所述机器人是专门针对人足关节 的生理解剖结构，将人膝下肢体作为运动分支设计机构系统，具有多个自 由度，能实现多种复杂的康复运动；所述机器人包括万向铰(4)、球铰(9)、 底座(14)和控制部分，其特征是：四个直线驱动器(6)上端通过万向铰 (4)与上平台(16)的安装支架(5)相连，其下端通过球铰(9)与平台 (12)相连，四个安装支架(5)及固定板(3)固联到安装台(1)上构成 上平台(16)；三个支架(7)上端与安装台(1)固联，其下端与底座(14) 固联构成支座。
2.根据权利要求1所述的生物融合式足关节康复机器人，其特征是：人 脚(11)通过夹持器与平台(12)固联，小腿(2)通过小腿固定器与上平 台(16)相连，搭扣II(15)与固定板(3)固联，搭扣I(13)与踏板(10) 固定安装，踏板(10)固联到平台(12)上构成下平台(17)。
3.根据权利要求1或2所述的生物融合式足关节康复机器人，其特征是： 直线驱动器(6)可选用丝杠螺母机构、双向运动气缸(22)或电动缸(23)。
4.根据权利要求3所述的生物融合式足关节康复机器人，其特征是：丝 杠螺母机构的电机(18)与丝杠(20)联接安装在连接台(19)上，弹性 耦合单元(8)与丝杠(20)串接到一起，弹性耦合单元(8)的上端是与 球副相配合的球头(21)。
5.根据权利要求3所述的生物融合式足关节康复机器人，其特征是：双 向运动气缸(22)由缸体和柱塞杆组成，弹性耦合单元(8)与柱塞杆串接 到一起，弹性耦合单元(8)的上端是与球副相配合的球头(21)。
6.根据权利要求3所述的生物融合式足关节康复机器人，其特征是：电 动缸(23)由缸体和杆件组成，弹性耦合单元(8)与杆件串接到一起，弹 性耦合单元(8)的上端是与球副相配合的球头(21)。
7.根据权利要求4所述的生物融合式足关节康复机器人，其特征是：所 述的弹性耦合单元(8)可选用金属弹簧、橡胶弹簧或空气弹簧。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种康复机器人系统，特别是涉及一种具有多自由度，能 够实现全方向关节功能康复，转动铰点与足关节转动铰点完全重合的足关 节康复机器人。
背景技术
足关节包括距上关节(俗称踝关节)，距下关节(包括距跟舟关节和距 跟关节)。其中距上关节为滑车关节，其主要运动为背屈及跖屈。此外，由 于滑车关节面前宽后窄，足在跖屈时，距骨滑车较窄的后部进入关节窝， 使关节窝大于关节头，故还能做轻度的外展和内收运动。距下关节在机能 上是联合关节，其主要运动为内翻和外翻运动。在人工关节研制中，经常 将足关节简化为具有一个或三个自由度的转动关节。
足关节损伤主要包括踝关节骨折，韧带撕脱和断裂。由于踝关节距骨 滑车的后部较窄，当跖屈时距骨滑车较窄的后部进入关节窝内，故可有轻 微的侧向(展、收)运动，此时距小腿关节松动而稳定性较差，易受扭伤， 其中以内翻扭伤较多见(外侧韧带损伤)。关节损伤的康复治疗是在初期药 物治疗或手术之后的第二个重要治疗过程，是通过关节的连续被动运动 (Continuous Passive Motion，CPM)，以及理疗按摩等进行功能恢复。但 目前患者主要是通过缓慢行走进行功能恢复。这种方法由于触地的强度和 运动幅度等不易掌握，不仅使恢复治疗所用时间长、不彻底，而且会给患 者带来很大的痛苦，甚至造成严重的二次损伤和习惯性扭伤。
足关节损伤的康复治疗过程可分为两个阶段。第1阶段一般在伤后 48-72小时后开始。康复训练可维持肌收缩运动，防止废用性肌肉萎缩，关 节囊和韧带等软组织挛缩，同时促进了关节内滑液的分泌和循环，从而预 防关节内发生粘连。第2阶段康复治疗的目的在于最大限度地恢复受损肢 体的运动功能。此阶段的治疗可选用，被动运动，关节功能牵引，关节松 动术，推拿，理疗等治疗方法。关节松动术(joint mobilization JM)是 一种被动运动，实验证明，这种方法可以促进关节液的流动，增加关节软 骨和软骨无血管区的营养，缓解疼痛，防止因活动减少而引起的关节退变， 可保持或增加关节周围组织的伸展性，改善关节活动度，已经成为现代康 复治疗技术的重要组成部分。
为了使受损的足关节快速，最大限度地恢复运动功能。人们设计出了 多种康复机器人系统。中国专利ZL99106695.2公开了一种用于四肢骨折患 者在手术后进行关节功能康复锻炼的肢关节功能康复器，其特点是：结构 简单，无需底座支架，可直接安装在患者的关节部位上工作，能根据使用 者关节所能弯曲的最大位置自动选择最佳的工作角度，适合患者在家庭个 人使用。
中国专利ZL94227560.8公开。这种康复器采用双平行四边形机构和谐 波传动机构。能够使病员下肢关节转动点与双平行四边形的虚铰接点重合， 避免了机构运动时对人体的干涉和皮肤损伤。这两种专利康复器的不足是 足关节仅有一个运动自由度，难以实现人足的复杂康复运动。
此外，一种瘫痪足康复电动鞋已被中国专利ZL01216338.4公开，该康 复器通过偏心轮组驱动多向摆动架，该摆动架通过万向节与脚底板相连， 带动足关节产生两个方向的转动。可实现脚面不断运动，并可根据需要使 踝关节维持功能位。
这些康复器系统的共同缺点是设计之初没有充分考虑人类肢体的特殊 复杂性，没有以人的肢体的生理解剖结构为设计中心，从而使系统康复运 动形式单一，自由度少，机构系统缺乏柔性。因此，不能很好的解决患者 足关节在某些方向上的运动功能受限问题，康复的安全性得不到很好的保 障，不能满足患者安全快速康复的需要。
为了克服现有足关节康复机器人系统中存在的自由度少，康复运动形 式单一，疗效欠佳，安全性较差的不足，本发明提供了一种生物融合式足 关节康复机器人系统。本发明专门针对人足关节的生理解剖结构，将人膝 下肢体作为运动分支设计机构系统，具有多个自由度，能实现多种复杂的 康复运动。从而能够更好地满足患者安全，舒适，快速地进行足关节康复 的需要。能够解决患者足关节在某些方向上的运动功能受限问题，因而疗 效更好。
足关节损伤主要包括踝关节骨折，韧带撕脱和断裂。由于踝关节距骨 滑车的后部较窄，当跖屈时距骨滑车较窄的后部进入关节窝内，故可有轻 微的侧向(展、收)运动，此时距小腿关节松动而稳定性较差，易受扭伤， 其中以内翻扭伤较多见(外侧韧带损伤)。关节损伤的康复治疗是在初期药 物治疗或手术之后的第二个重要治疗过程，是通过关节的连续被动运动 (Continuous Passive Motion，CPM)，以及理疗按摩等进行功能恢复。但 目前患者主要是通过缓慢行走进行功能恢复。这种方法由于触地的强度和 运动幅度等不易掌握，不仅使恢复治疗所用时间长、不彻底，而且会给患 者带来很大的痛苦，甚至造成严重的二次损伤和习惯性扭伤。
足关节损伤的康复治疗过程可分为两个阶段。第1阶段一般在伤后 48-72小时后开始。康复训练可维持肌收缩运动，防止废用性肌肉萎缩，关 节囊和韧带等软组织挛缩，同时促进了关节内滑液的分泌和循环，从而预 防关节内发生粘连。第2阶段康复治疗的目的在于最大限度地恢复受损肢 体的运动功能。此阶段的治疗可选用，被动运动，关节功能牵引，关节松 动术，推拿，理疗等治疗方法。关节松动术(joint mobilization JM)是 一种被动运动，实验证明，这种方法可以促进关节液的流动，增加关节软 骨和软骨无血管区的营养，缓解疼痛，防止因活动减少而引起的关节退变， 可保持或增加关节周围组织的伸展性，改善关节活动度，已经成为现代康 复治疗技术的重要组成部分。
为了使受损的足关节快速，最大限度地恢复运动功能。人们设计出了 多种康复机器人系统。中国专利ZL99106695.2公开了一种用于四肢骨折患 者在手术后进行关节功能康复锻炼的肢关节功能康复器，其特点是：结构 简单，无需底座支架，可直接安装在患者的关节部位上工作，能根据使用 者关节所能弯曲的最大位置自动选择最佳的工作角度，适合患者在家庭个 人使用。
中国专利ZL94227560.8公开。这种康复器采用双平行四边形机构和谐 波传动机构。能够使病员下肢关节转动点与双平行四边形的虚铰接点重合， 避免了机构运动时对人体的干涉和皮肤损伤。这两种专利康复器的不足是 足关节仅有一个运动自由度，难以实现人足的复杂康复运动。
此外，一种瘫痪足康复电动鞋已被中国专利ZL01216338.4公开，该康 复器通过偏心轮组驱动多向摆动架，该摆动架通过万向节与脚底板相连， 带动足关节产生两个方向的转动。可实现脚面不断运动，并可根据需要使 踝关节维持功能位。
这些康复器系统的共同缺点是设计之初没有充分考虑人类肢体的特殊 复杂性，没有以人的肢体的生理解剖结构为设计中心，从而使系统康复运 动形式单一，自由度少，机构系统缺乏柔性。因此，不能很好的解决患者 足关节在某些方向上的运动功能受限问题，康复的安全性得不到很好的保 障，不能满足患者安全快速康复的需要。
为了克服现有足关节康复机器人系统中存在的自由度少，康复运动形 式单一，疗效欠佳，安全性较差的不足，本发明提供了一种生物融合式足 关节康复机器人系统。本发明专门针对人足关节的生理解剖结构，将人膝 下肢体作为运动分支设计机构系统，具有多个自由度，能实现多种复杂的 康复运动。从而能够更好地满足患者安全，舒适，快速地进行足关节康复 的需要。能够解决患者足关节在某些方向上的运动功能受限问题，因而疗 效更好。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：四个直线驱动器上端通 过万向铰与上平台的安装支架相连，其下端通过球铰与平台相连，四个安 装支架及固定板固联到安装台上构成上平台；三个支架上端与安装台固联 下端与底座固联构成支座。
人脚通过夹持器与平台固联，小腿通过小腿固定器与上平台相连，搭 扣与固定板固联，搭扣与踏板固定安装，踏板固联到平台上构成下平台。
直线驱动单元由直线驱动器，弹性耦合单元串联组成。
直线驱动器有以下三种结构：第一种结构是：直线驱动器由电机、安 装台和丝杠串联组成；第二种结构是：直线驱动器选用双向运动气缸；第 三种结构是：直线驱动器选用电动缸。
弹性耦合单元可选用金属弹簧，橡胶弹簧或空气弹簧。
四个直线驱动单元上端通过U副(万向铰)与上平台安装支架相连， 下端通过S副(球铰)与下平台相连，人脚通过夹持器与下平台固连，小 腿通过小腿固定器与上平台相连，共同构成一套有人的肢体作为运动分支 参与的并联机构系统。
本发明的有益效果是：本发明以人足仿生研究为基础，把人的膝下肢 体作为运动分支融合到整个机构系统中，设计出了生物融合式足关节康复 机器人系统。本康复机器人系统具有多个自由度，能实现各种复杂的康复 运动，很好地解决患者足关节在某些方向上关节功能受限的康复治疗问题； 转动铰点与足关节转动铰点完全重合，康复过程更加安全舒适。并可将康 复运动过程中的数据用于治疗诊断。本发明具有结构简单新颖，安全可靠， 运动灵活，能够实现全方向的关节功能康复，能很好地适应人类肢体生理 结构等优点。
人脚通过夹持器与平台固联，小腿通过小腿固定器与上平台相连，搭 扣与固定板固联，搭扣与踏板固定安装，踏板固联到平台上构成下平台。
直线驱动单元由直线驱动器，弹性耦合单元串联组成。
直线驱动器有以下三种结构：第一种结构是：直线驱动器由电机、安 装台和丝杠串联组成；第二种结构是：直线驱动器选用双向运动气缸；第 三种结构是：直线驱动器选用电动缸。
弹性耦合单元可选用金属弹簧，橡胶弹簧或空气弹簧。
四个直线驱动单元上端通过U副(万向铰)与上平台安装支架相连， 下端通过S副(球铰)与下平台相连，人脚通过夹持器与下平台固连，小 腿通过小腿固定器与上平台相连，共同构成一套有人的肢体作为运动分支 参与的并联机构系统。
本发明的有益效果是：本发明以人足仿生研究为基础，把人的膝下肢 体作为运动分支融合到整个机构系统中，设计出了生物融合式足关节康复 机器人系统。本康复机器人系统具有多个自由度，能实现各种复杂的康复 运动，很好地解决患者足关节在某些方向上关节功能受限的康复治疗问题； 转动铰点与足关节转动铰点完全重合，康复过程更加安全舒适。并可将康 复运动过程中的数据用于治疗诊断。本发明具有结构简单新颖，安全可靠， 运动灵活，能够实现全方向的关节功能康复，能很好地适应人类肢体生理 结构等优点。
附图说明
图1为生物融合式足关节康复机器人的主视图；
图2为生物融合式足关节康复机器人的侧视图；
图3为第一种直线驱动单元结构图；
图4为第二种直线驱动单元结构图；
图5为第三种直线驱动单元结构图；
图6为生物融合式足关节康复机器人的轴测图；
图7为气缸驱动生物融合式足关节康复机器人的轴测图；
图8为电动缸驱动生物融合式足关节康复机器人的轴测图。
在图1-图6中，1.安装台，2.小腿，3.固定板，4.U副(万向铰)， 5.安装支架，6.直线驱动器，7.支架，8.弹性耦合单元，9.S副(球铰)， 10.踏板，11.人脚，12.平台，13.搭扣I，14.底座，15.搭扣II，16.上平 台，17.下平台，18.电机，19.连接台，20.丝杠，21.S副球头，22.双向运 动气缸，23.电动缸，24.气源，25.管路。
图2为生物融合式足关节康复机器人的侧视图；
图3为第一种直线驱动单元结构图；
图4为第二种直线驱动单元结构图；
图5为第三种直线驱动单元结构图；
图6为生物融合式足关节康复机器人的轴测图；
图7为气缸驱动生物融合式足关节康复机器人的轴测图；
图8为电动缸驱动生物融合式足关节康复机器人的轴测图。
在图1-图6中，1.安装台，2.小腿，3.固定板，4.U副(万向铰)， 5.安装支架，6.直线驱动器，7.支架，8.弹性耦合单元，9.S副(球铰)， 10.踏板，11.人脚，12.平台，13.搭扣I，14.底座，15.搭扣II，16.上平 台，17.下平台，18.电机，19.连接台，20.丝杠，21.S副球头，22.双向运 动气缸，23.电动缸，24.气源，25.管路。
具体实施方式
实施例1
图1是本发明公开的一个实施例。四个直线驱动单元上端通过U副(万 向铰)4与上平台安装支架5相连，下端通过S副(球铰)9与下平台17 相连，人脚11通过夹持器与下平台17固联，小腿2通过小腿固定器与上 平台16相连。搭扣II 15与固定板3固联，四个安装支架5及固定板3固联 到安装台1上构成上平台16。小腿后部放入固定板后，通过前部的搭扣13 将小腿固定到上平台16。搭扣I 13与踏板10固定安装，踏板10固联到平 台12上构成下平台17。人脚底放入踏板10，通过搭扣I 13将脚固定到下 平台17。电机18及丝杠20安装到连接台19上。弹性耦合单元8上端与丝 杠20串接到一起，下端与S副球头21固联共同构成直线驱动单元。三个 支架7上端与安装台1固联，下端与底座14固联构成支座，以支撑整个机 器人机械系统。进行康复治疗时将系统平放，使底座与地面接触，电机18 接电即可实现康复训练运动。
实施例2
图6为本发明的第二种实施例。将实例一中的直线驱动器更换为双向 运动气缸22，双向运动气缸22由缸体和柱塞杆组成，弹性耦合单元8与柱 塞杆串接到一起，弹性耦合单元8上端是与球副相配合的球头21。双向运 动气缸22与机器人机械系统的连接方式与实施例1相同。气源24通过管 路25向气缸供气，即可实现直线驱动单元的往复运动。
实施例3
图7为本发明的第三种实施例。实例一中的直线驱动器由电动缸23代 替，电动缸23由缸体和杆件组成，弹性耦合单元8与杆件串接到一起，弹 性耦合单元8的上端是与球副相配合的球头21，电动缸23与机器人机械系 统的连接方式与实施例1相同。向电动缸加电即可实现直线驱动单元的往 复运动。
图1是本发明公开的一个实施例。四个直线驱动单元上端通过U副(万 向铰)4与上平台安装支架5相连，下端通过S副(球铰)9与下平台17 相连，人脚11通过夹持器与下平台17固联，小腿2通过小腿固定器与上 平台16相连。搭扣II 15与固定板3固联，四个安装支架5及固定板3固联 到安装台1上构成上平台16。小腿后部放入固定板后，通过前部的搭扣13 将小腿固定到上平台16。搭扣I 13与踏板10固定安装，踏板10固联到平 台12上构成下平台17。人脚底放入踏板10，通过搭扣I 13将脚固定到下 平台17。电机18及丝杠20安装到连接台19上。弹性耦合单元8上端与丝 杠20串接到一起，下端与S副球头21固联共同构成直线驱动单元。三个 支架7上端与安装台1固联，下端与底座14固联构成支座，以支撑整个机 器人机械系统。进行康复治疗时将系统平放，使底座与地面接触，电机18 接电即可实现康复训练运动。
实施例2
图6为本发明的第二种实施例。将实例一中的直线驱动器更换为双向 运动气缸22，双向运动气缸22由缸体和柱塞杆组成，弹性耦合单元8与柱 塞杆串接到一起，弹性耦合单元8上端是与球副相配合的球头21。双向运 动气缸22与机器人机械系统的连接方式与实施例1相同。气源24通过管 路25向气缸供气，即可实现直线驱动单元的往复运动。
实施例3
图7为本发明的第三种实施例。实例一中的直线驱动器由电动缸23代 替，电动缸23由缸体和杆件组成，弹性耦合单元8与杆件串接到一起，弹 性耦合单元8的上端是与球副相配合的球头21，电动缸23与机器人机械系 统的连接方式与实施例1相同。向电动缸加电即可实现直线驱动单元的往 复运动。