踝关节康复机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种踝关节康复机器人。

背景技术：

踝关节是一个拥有屈伸、内外翻以及内外旋六种动作的三自由度关节，大多数的辅助康复机器人只注重屈伸这一个单一动作，即只有一个自由度，无法实现全面的辅助康复。

踝关节在整个人体中起到感知地面状态进而调节平衡，缓冲地面反力的重要作用，而随着年龄的增长，逐渐产生的肌肉萎缩、关节疾病所带来的炎症疼痛、中风产生的肌肉挛缩等使得踝关节直接影响正常行走，而我国目前关节康复治疗仍存在许多不足：

1.主要依赖于医院康复理疗医师，不仅康复训练项目繁多，且康复的程度也因医师的个人判断及水平而存在差异；

2.我国康复医师短缺，患者数量巨大，比例失衡严重，患者在预约等待的时间中将有可能会失去黄金康复时间，且康复的周期也因此而增加，导致康复的效果缓慢，效率不高；

3.医院所使用的设备也价格昂贵，功能较单一，不同的康复阶段需使用不同的仪器进行理疗，对医院和患者个人来说都是较大的经济负担。

针对该问题，本发明在辅助中风患者踝关节主动康复方面，提出了一种吻合人体踝关节复杂运动的三自由度辅助康复机器人，该机器人均运用直线电机来实现复杂曲线轨迹的驱动技术，使得踝关节左右两侧的平行直线电机分别带动人体脚掌完成屈伸和内外翻的动作，利用底部的直线电机完成踝关节的内外旋动作；该机器人穿戴方便，只需在脚掌和脚跟两处进行绑缚；另外在脚跟部安装有缓冲弹簧，提高穿戴者的舒适度；该机器人还拥有小巧、质量轻等特点，便于携带。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种踝关节康复机器人。

本发明提出的一种踝关节康复机器人，包括右侧驱动单元、左侧驱动单元、底部驱动单元、三角支撑架、脚底支撑板、阻尼单元和底板，所述右侧驱动单元和左侧驱动单元位于脚底支撑板两侧，所述右侧驱动单元和左侧驱动单元位于脚底支撑板两侧呈杠杆结构，所述底部驱动单元位于右侧驱动单元、左侧驱动单元、三角支撑架和脚底支撑板的底端的底板上，所述阻尼单元的端部和脚底支撑板的一端相连接，所述三角支撑架连接在右侧驱动单元和左侧驱动单元之间，且三角支撑架的底端和底部驱动单元相连接，所述底部驱动单元的外壁连接在底板的顶部外壁上。

作为本发明进一步的方案，所述右侧驱动单元和左侧驱动单元均包括侧电机、侧套筒、左轴承支架、左轴承、右轴承、右轴承支架、右轴承盖、侧回转支架、右中心轴承套、右中心轴承、右中心轴承盖、侧联轴器、侧螺母、滑轨连接板、侧导轨、侧滑块、侧丝杆、轴承套筒、轴承、丝杆支架、左轴承盖，所述侧电机安装于侧套筒的内部，所述侧电机驱动侧联轴器联动侧丝杆旋转，所述侧电机带动侧丝杆实现侧螺母左右平移，所述滑轨连接板安装于侧螺母的外侧，且滑轨连接板和侧滑块相连接，所述滑轨连接板的外侧安装有脚底支撑板的右活动环，所述侧导轨的一侧安装于侧套筒上，且侧导轨的另一侧安装在丝杆支架上，所述侧丝杆的一端连接在联轴器内壁上，所述侧丝杆的另一端通过轴承和轴承套筒固定在丝杆支架上，所述侧套筒的两侧分别安装左轴承和右轴承，且左轴承和右轴承的外侧分别通过左轴承盖和右轴承盖限位，所述左轴承和右轴承的外圈安装左轴承支架和右轴承支架，所述左轴承支架和右轴承支架与侧回转支架相安装，所述侧回转支架的中心部位安装有右中心轴承和右中心轴承盖，所述轴承外圈安装有右中心轴承套。

作为本发明进一步的方案，所述底部驱动单元包括底部电机、底套筒、底部轴承套、底部轴承、底部轴承盖、联轴器、导轨、滑块、连接块、螺母、丝杆、中心轴承盖、底部中心轴承、底部中心轴承套、回转支架、定位轴承、轴承双套、双心支架、滚轮、双心盖板，所述电机通过套筒连接联轴器，且联轴器的另一端连接丝杆，所述丝杆通过螺母安装在连接块、滑块和回转支架上，所述回转支架的中心部位和底部中心轴承和底部中心轴承盖相固定，且底部中心轴承的外圈安装底部中心轴承套，所述底部中心轴承套与三角支撑架的左斜桥和右斜桥相连接，所述底部轴承和底部轴承盖以及在轴承外圈的底部轴承套安装与套筒的底部，且将套筒固定在底板上，所述丝杆的右端安装定位轴承和轴承双套，且丝杆穿过双心支架与双心盖板相连接，所述双心支架的上部为导轨右端的固定端，且双心支架的底部安装滚轮，所述滚轮与底板的上表面相接触。

作为本发明进一步的方案，所述脚底支撑板包括支撑板、后连接槽、后部球轴承、后部内套筒、后部轴承套、右活动环、右侧外套筒、右侧内套筒、右侧球轴承、右连接槽、左活动环、左侧外套筒、左侧内套筒、左侧球轴承和左连接槽，所述支撑板的一侧和右连接槽相连接，且支撑板与穿过右侧球轴承内圈的右侧内套筒相连接，所述右侧球轴承的外圈安装有右侧外套筒，且右侧球轴承与右活动环连接，所述右活动环安装于滑轨连接板上，且右活动环由右侧驱动单元所驱动，所述支撑板的后部和后连接槽相连接，且支撑板通过后部球轴承的内圈与后部内套筒安装，所述后部球轴承的外圈和后部轴承套相连接，且后部球轴承与阻尼单元的角支撑架相连接。

作为本发明进一步的方案，所述阻尼单元包括角支撑架、压缩套筒、弹簧、补强支架、限位框、支撑套筒、工字支架，所述角支撑架的下方和三个压缩套筒相连接，且三个压缩套筒的内部分别嵌套入三组弹簧，所述弹簧的另一端嵌套入三个支撑套筒中，且支撑套筒全部安装于限位框中，所述限位框的下方有工字支架和补强支架所支撑，且工字支架和补强支架安装于底板上。

作为本发明进一步的方案，所述底部电机和两个侧电机均连接有开关，且开关通过导线连接有plc控制器。

本发明中的有益效果有以下几点：

1)仅用三部电机就实现了踝关节的屈曲、伸展、内翻、外翻、内旋和外旋六个动作，实现了对踝关节的全方位辅助；

2)电机数量的减少，使得成本和重量大幅度减少，且易于控制。

3)三部电机相互之间是混合驱动的关系，即一个踝关节动作至少有两部电机在同时相互运作实现，不仅效率高且受力均匀；

4)采用直线电机来实现踝关节的复杂运动轨迹曲线，使得其与踝关节运动轨迹的吻合度更高、控制精度和舒适度也都大大提高；

5)使用了阻尼缓冲装置，使得辅助踝关节的过程更加顺滑，大大提高了舒适度；

6)仅有两个绑缚点，实现了快速穿戴，实用性高；

7)整体重量轻，便于移动、携带。

综上所述，本发明首先对应踝关节的六种动作仅使用了三部电机，运用混合驱动方式来实现踝关节的屈曲、伸展、内翻、外翻、内旋和外旋六个动作。不仅易于控制，且大幅度节约了成本和减少了重量。其次，本发明是依据人体踝关节的真实运动轨迹所采用的直线电机，利用直线电机的精密位置传动来啮合踝关节多自由度的复杂曲线运动轨迹，使得与踝关节运动轨迹的吻合度更高、控制精度和舒适度也都大大提高。再者，本发明使用了阻尼缓冲装置，使得辅助踝关节的过程更加顺滑，大大提高了舒适度。最后，本发明允许人体处于坐姿的时候对脚部踝关节进行全方位的辅助康复，且绑缚只有两个位置，实现了快速穿戴，增加了实用性。

附图说明

图1为本发明提出的一种踝关节康复机器人的总体结构示意图；

图2为本发明提出的一种踝关节康复机器人的左右侧驱动单元结构示意图；

图3为本发明提出的一种踝关节康复机器人的底部驱动单元结构示意图；

图4为本发明提出的一种踝关节康复机器人的三角支撑架结构示意图；

图5为本发明提出的一种踝关节康复机器人的脚底支撑板结构示意图；

图6为本发明提出的一种踝关节康复机器人的阻尼单元结构示意图。

图中：100右侧驱动单元、101侧电机、102侧套筒、103左轴承支架、104左轴承、105右轴承、106右轴承支架、107右轴承盖、108侧回转支架、109右中心轴承套、110右中心轴承、111右中心轴承盖、112侧联轴器、113侧螺母、114滑轨连接板、115侧导轨、116侧滑块、117侧丝杆、118轴承套筒、119轴承、120丝杆支架、121左轴承盖、200左侧驱动单元、300底部驱动单元、301底部电机、302底套筒、303底部轴承套、304底部轴承、305底部轴承盖、306联轴器、307导轨、308滑块、309连接块、310螺母、311丝杆、312中心轴承盖、313底部中心轴承、314底部中心轴承套、315回转支架、316定位轴承、317轴承双套、318双心支架、319滚轮、320双心盖板、400三角支撑架、401后桥、402前桥、403左斜桥、404右斜桥、500脚底支撑板、501支撑板、502后连接槽、503后部球轴承、504后部内套筒、505后部轴承套、506右活动环、507右侧外套筒、508右侧内套筒、509右侧球轴承、510右连接槽、511左活动环、512左侧外套筒、513左侧内套筒、514左侧球轴承、515左连接槽、600阻尼单元、601角支撑架、602压缩套筒、603弹簧、604补强支架、605限位框、606支撑套筒、607工字支架、700底板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1，一种踝关节康复机器人，该踝关节辅助康复机器人拥有三个自由度可以辅助康复人体的踝关节，它主要由以下几部分组成：右侧驱动单元100，左侧驱动单元200，底部驱动单元300，三角支撑架400，脚底支撑板500，阻尼单元600和底板700所组成。人体将脚放置于脚底支撑板500上，并将脚绑缚固定在其上，当右侧驱动单元100和左侧驱动单元200同时将脚底支撑板500向上推或同时向下拉时，实现辅助踝关节的屈曲和伸展动作；而当右侧驱动单元100向上推的同时左侧驱动单元200向下拉，则会发生脚底支撑板500向右侧翻转，相反的右侧驱动单元100如果向下拉而左侧驱动单元200向上推，则会发生脚底支撑板500向左侧翻转，如此便实现了对踝关节内翻和外翻的辅助；其次，底部驱动单元300推或拉的时候将带动右侧驱动单元100，左侧驱动单元200，三角支撑架400和脚底支撑板500一起左右旋转，实现了对踝关节内旋和外旋动作的辅助。如果右侧驱动单元100，左侧驱动单元200和底部驱动单元300同时动作时，则会对人体踝关节进行全方位的复杂运动辅助。而所有这些动作在运动的时候阻尼单元600都会对踝关节起到缓冲及提高舒适度的作用。其中三角支撑架400起到左右连接右侧驱动单元100和左侧驱动单元200，上下连接底部驱动单元300的作用，而底板700则是起到整合并支撑起所有这些部件的作用。

参照图1-2，右侧驱动单元100和左侧驱动单元200为完全相同的两组部件，它们同时上推或下拉脚底支撑板500来辅助人体踝关节的屈曲和伸展运动，而当它们交错上推或下拉时则完成踝关节内翻和外翻运动。以右侧驱动单元100为例，电机101安装于套筒102中，电机101驱动联轴器112并同时带动丝杆117旋转，电机101带动丝杆117的正反转会使得在其上的螺母113左右平移，滑轨连接板114安装于螺母113的外侧，并同时安装连接着滑块116，滑块116在导轨115上来回平移起到对螺母113限制其旋转自由度和受力时的支撑作用，同时滑轨连接板114外侧安装脚底支撑板500的右活动环506，使得电机101的出力传递至脚底支撑板500，使其一起运动。导轨115右端安装于套筒102上，左端安装在丝杆支架120上，而丝杆117除了右端固定于联轴器112上以外，另一端通过轴承119和轴承套筒118也一并固定在丝杆支架120上。由于右侧驱动单元100和左侧驱动单元200在共同推拉或相互交错运动时会分别随着脚底支撑板500产生两种不同的圆弧运动轨迹，为了吻合这两种轨迹在电机的套筒102左右两侧安装左轴承104和右轴承105，外侧用左轴承盖121和右轴承盖107进行限位防止轴承掉落。然后在轴承外圈安装左轴承支架103和右轴承支架106，它们共同与回转支架108相安装，回转支架108的中心部位安装有右中心轴承110和右中心轴承盖111，轴承的外圈安装有右中心轴承套109，该轴承套与三角支撑架400的后桥401和前桥402的右端相连接。三角支撑架400的作用是左右连接右侧驱动单元100和左侧驱动单元200，下端的左斜桥403和右斜桥404连接底部驱动单元300，起到相互定位、支撑的作用。

参照图1和图3、图4，底部驱动单元300辅助踝关节内旋和外旋的动作，它是由电机301通过套筒302，依次连接联轴器306，再连接丝杆311，连同这些部件一起随着电机301左右旋转，在丝杆311上的螺母310则连同安装在其侧面的连接块309、其上部的滑块308和回转支架315一起左右直线运动，其中回转支架315的中心部位安装有底部中心轴承313和底部中心轴承盖312，并在轴承外圈安装底部中心轴承套314，其与三角支撑架400的左斜桥403和右斜桥404相连接，连同三角支撑架400一起，带动右侧驱动单元100、左侧驱动单元200和脚底支撑板500一起左右移动，而同样的由于脚底支撑板500的长度是固定的，因此在随着螺母310等部件一起左右运动时产生的复合运动轨迹是圆弧曲线，故为了吻合该轨迹，在套筒302的底部释放该旋转自由度，加入底部轴承304、底部轴承盖305，以及在轴承外圈的底部轴承套303，并将其固定在底板700上；同时由于圆弧轨迹的影响，底部驱动单元300的丝杆311等部件都会在一个小角度范围内产生摆动，因此作为底部的支撑，在丝杆311的右端安装定位轴承316和轴承双套317，穿过双心支架318与双心盖板320相连接，其中双心支架318的上部为导轨307右端的固定端，底部的另外一个回转中心安装滚轮319，滚轮319与底板700的上表面所接触，并在底部驱动单元300产生摆动时，同时起到支撑和产生滚动减小摩擦的效果。

参照图1和图,5，右侧驱动单元100和左侧驱动单元200之间安装有脚底支撑板500，其中支撑板501用来放置人体脚部，并在前后两组长方形槽中穿过绑缚带，将人体的脚部固定在其上。左右两侧的连接关节部分相同，以右侧为例支撑板501的右侧安装右连接槽510，其与穿过右侧球轴承509内圈的右侧内套筒508相连接，右侧球轴承509的外圈安装有右侧外套筒507，并与右活动环506连接，右活动环506安装于滑轨连接板114上，由右侧驱动单元100所驱动。而支撑板501的后部安装有后连接槽502，并通过后部球轴承503的内圈与后部内套筒504安装，后部球轴承503的外圈安装有后部轴承套505，其与阻尼单元600的角支撑架601相连接。

参照图1和图6，阻尼单元600的作用是减少对踝关节的缓冲及提高舒适度的作用。其中角支撑架601的下方安装有三个压缩套筒602，其内部嵌套入三组弹簧603，弹簧603的另一端嵌套入三个支撑套筒606中，支撑套筒606全部安装于限位框605中，弹簧603在被压缩并反弹回来时压缩套筒602外伸的阻挡板会与限位框605相接触，起到阻挡并限位的作用。限位框605的下方有工字支架607和补强支架604所支撑，同时工字支架607和补强支架604安装于底板700上。

本发明中，穿戴时左右脚通用，放在脚底支撑板500上，通过绑缚带将脚固定，脚后跟位置的阻尼单元600对脚起到缓冲作用，提高舒适度，装置使用三部电机，采取混合驱动方式来控制相互协同，实现踝关节的三个自由度，六个动作：屈曲伸展动作、内翻外翻动作、内旋外旋动作，电机全部是直线式，而对电机本体约束轴向旋转自由度，实现了啮合脚掌的曲线运动轨迹，其中的三个自由度为：

屈曲伸展动作：

左右的侧电机101同时上下运动的时候，辅助脚掌的屈曲伸展动作；

内翻外翻动作：

左侧的侧电机101上升，右侧的侧电机101下降则会使得脚掌向左侧倾斜，反之则向右；

内旋外旋动作：

底部电机301将三角支撑架400向左拉的话，脚掌会左旋，反之会右旋.

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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