三自由度踝关节辅助运动外骨骼

1.三自由度踝关节辅助运动外骨骼，其特征在于包括脚底板(1)，固定在脚底板前端的第一支架(2)，固定在脚底板后端的第二支架(9)，从上到下依次同轴叠置的上圆环(14)、环形齿轮(7)和下圆环(13)，上、下圆环(14、13)通过两个带轴的连接件(15、18)固定成相对于环形齿轮(7)转动的整体，第一支架(2)和第二支架(9)分别通过轴承与两个连接件(15、18)的轴连接，两个连接件(15、18)的轴在X方向同轴，在环形齿轮(7)上固定有两个带轴的U形连接块(16、20)，两个小腿板支架(5、6)的一端分别通过轴承与两个U形连接块(16、20)的轴连接，两个U形连接块(16、20)的轴在Y轴方向同轴，两个小腿板支架(5、6)的另一端与小腿板横梁(21)相连，小腿板(4)与小腿板横梁(21)固定，X轴电机(19)与第一谐波减速器(8)相连并固定在第二支架(9)上，Y轴电机(17)与第二谐波减速器(3)相连并固定在第一U形连接块(16)上，Z轴电机及减速箱(10)通过Z轴电机支架(11)固定在上圆环(14)上，Z轴电机转轴上固定有齿轮(12)，齿轮(12)与环形齿轮(7)啮合，在第一连接件(15)的轴和第一U形连接块(20)的轴上分别安装有角度传感器。

三自由度踝关节辅助运动外骨骼\n技术领域\n[0001] 本发明涉及三自由度踝关节辅助运动外骨骼，具体说是一种具有三自由度，可实现对人体踝关节背屈/跖屈、内翻/外翻和内旋/外旋三自由度运动的辅助医疗装置。\n背景技术\n[0002] 外骨骼技术是一种新型的人机智能系统控制技术，可广泛应用于机器人的主从控制，肢残病人的医疗康复辅助器械。对于瘫痪、肢残病人传统的康复手段需理疗师“手把手”进行，消耗了大量的时间与体力，并且无法保证充足的训练时间和足够的训练强度。现有的一些踝关节外骨骼大多只有单个自由度，无法满足训练多样性的要求。而本发明具有三自由度可实现踝关节所有的运动形式，并且可记录训练参数(运动轨迹、速度、强度，时间等)，使训练过程定性定量，从而可得到客观定量的康复评价指标，利于治疗方案的确定和改进，并且可开展对患者神经康复规律的深入研究。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是设计一种具有三个自由度的可穿戴式柔性外骨骼踝关节辅助康复运动医疗设备。\n[0004] 本发明的三自由度踝关节辅助运动外骨骼，包括脚底板，固定在脚底板前端的第一支架，固定在脚底板后端的第二支架，依次同轴叠置的上圆环、环形齿轮和下圆环，上、下圆环通过两个带轴的连接件固定成相对于环形齿轮转动的整体，第一支架和第二支架分别通过轴承与两个连接件的轴连接，两个连接件的轴在X方向同轴，在环形齿轮上固定有两个带轴的U形连接块，两个小腿板支架的一端分别通过轴承与两个U形连接块的轴连接，两个U形连接块的轴在Y轴方向同轴，两个小腿板支架的另一端与小腿板横梁相连，小腿板与小腿板横梁固定，X轴电机与第一谐波减速器相连并固定在第二支架上，Y轴电机与第二谐波减速器相连并固定在第一U形连接块上，Z轴电机及减速箱通过Z轴电机支架固定在上圆环上，Z轴电机转轴上固定有齿轮，齿轮与环形齿轮啮合，在第一连接件的轴和第一U形连接块的轴上分别安装有角度传感器。\n[0005] 本发明通过对X轴电机、Y轴电机和Z轴电机的旋转角度控制，可实现外骨骼辅助患者实现踝关节背屈/跖屈、内翻/外翻和内旋/外旋三个自由度的分别运动及环绕的协同运动。这种结构与现有的踝关节外骨骼相比，拥有更多自由度的运动并且实现了环绕这一协同运动，其结构新颖，轻便灵巧，便于穿戴，控制方便，可以作为人体踝关节肌肉萎缩或者残疾人士的医疗康复辅助器械。\n附图说明\n[0006] 图1是三自由度踝关节辅助运动外骨骼结构示意图；\n[0007] 图2是三自由度踝关节辅助运动外骨骼结构俯视图；\n[0008] 图3是上、下圆环和环形齿轮连接示意图。\n具体实施方式\n[0009] 以下结合结构附图进一步说明本发明。\n[0010] 参照附图，本发明的三自由度踝关节辅助运动外骨骼，包括脚底板1，固定在脚底板前端的第一支架2，固定在脚底板后端的第二支架9，依次同轴叠置的上圆环14、环形齿轮7和下圆环13，上、下圆环14、13通过两个带轴的连接件15、18固定成相对于环形齿轮7转动的整体，第一支架2和第二支架9分别通过轴承与两个连接件15、18的轴连接，两个连接件15、18的轴在X方向同轴，在环形齿轮7上固定有两个带轴的U形连接块16、20，两个小腿板支架5、6的一端分别通过轴承与两个U形连接块16、20的轴连接，两个U形连接块\n16、20的轴在Y轴方向同轴，两个小腿板支架5、6的另一端与小腿板横梁21相连，小腿板4与小腿板横梁21固定，X轴电机19与第一谐波减速器8相连并固定在第二支架9上，Y轴电机17与第二谐波减速器3相连并固定在第一U形连接块16上，Z轴电机及减速箱10通过Z轴电机支架11固定在上圆环14上，Z轴电机转轴上固定有齿轮12，齿轮12与环形齿轮7啮合，在第一连接件15的轴和第一U形连接块20的轴上分别安装有角度传感器。\n[0011] 康复训练时，将三自由度踝关节辅助运动外骨骼穿戴于患者的踝关节上，患者小腿固定于小腿板上，患者脚部固定于脚底板上，X轴电机将旋转运动传递给第一谐波减速器，第一谐波减速器将旋转运动传递给两个连接件，由于两个连接件固定在上、下圆环上，因此可实现脚底板相对于环形齿轮的X轴旋转，即踝关节X轴方向的旋转。\n[0012] Y轴电机将旋转运动传递给第二谐波减速器，第二谐波减速器将旋转运动传递给两个U形连接块，由于两个U形连接块固定在环形齿轮上，因此可实现环形齿轮相对于小腿板的Y轴旋转，即踝关节Y轴方向的旋转。\n[0013] Z轴电机将旋转运动传递给齿轮，由于齿轮与环形齿轮啮合，因此实现环形齿轮相对于上、下圆环的Z轴旋转，即即踝关节Z轴方向的旋转。\n[0014] 三自由度踝关节辅助运动外骨骼有三个自由度，通过安装在连接件轴和U形连接块轴上的角度传感器获取患者踝关节运动角度参数，对X轴电机、Y轴电机和Z轴电机的旋转进行角度控制，可实现踝关节外骨骼脚底板相对于小腿板X轴、Y轴和Z轴旋转角度的伺服控制，带动患者进行踝关节的背屈/跖屈、内翻/外翻和内旋/外旋康复训练。