踝关节康复训练装置

1.一种踝关节康复训练装置，主要包括一个自由度的转动机构，两个自由度的球面并联机构，以及脚托盘，其特征在于所述球面并联机构由固定平台、动平台和3根连杆构成，其中一根连杆通过转动副与固定平台和动平台联接，构成驱动动平台回转运动的一条运动支链，另外两根连杆相互铰接，两根连杆的另外两端通过转动副分别与固定平台和动平台联接，构成驱动动平台绕另一轴线回转运动的另一条运动支链，动平台回转运动的两轴线相垂直，两条运动支链分别由伺服驱动装置驱动，脚托盘安置在动平台上，球面并联机构的固定平台与转动机构的回转构件刚性固结，通过转动副安置在转动机构的机架支承上，由伺服驱动装置驱动转动，构成装置的球面串并联模拟运动机构。
2.如权利要求1所述的踝关节康复训练装置，其特征在于构成球面并联机构的各构件间的转动副轴线相交于一点。
3.如权利要求2所述的踝关节康复训练装置，其特征在于构成球面并联机构的各构件间的转动副轴线相互垂直地交于一点。
4.如权利要求1或2或3所述的踝关节康复训练装置，其特征在于构成球面并联机构的3根连杆的各杆弧长度为π/2。
5.如权利要求4所述的踝关节康复训练装置，其特征在于转动机构的回转轴线与构成球面并联机构的各构件间的转动副轴线的交点相交。
6.如权利要求5所述的踝关节康复训练装置，其特征在于所述伺服驱动装置为伺服电机。

踝关节康复训练装置\n一、技术领域\n[0001] 本发明属于医疗器械领域，它涉及一种康复训练器械，特别是涉及用于脚踝扭伤和矫形康复训的装置。\n二、背景技术\n[0002] 踝关节损伤是一种常见的骨关节损伤，其发生率在下肢损伤中居第二位。踝关节损伤的临床治疗证明：踝关节在康复期进行功能康复训练，可加速组织愈合并有利于恢复韧带的本体感觉，加快患者康复速度，还可预防今后由于踝关节不稳而造成的反复扭伤。现有的踝关节康复训练器械通常仅具有一、两个自由度，不能真实地模拟踝关节复杂的运动。\n美国新泽西州Rutgers大学于1999年研制出了一种Rutgers Ankle踝关节康复系统，该系统基于气动伺服系统控制的Stewart机构和虚拟现实技术。Rutgers Ankle踝关节康复系统临床试验效果明显，得到了患者和医师的良好反映。在踝关节康复装置的研究进程中，英国伦敦大学的Jian S.Dai和索尔福德大学的Christopher Nester等人提出了三个或四个自由度的踝关节康复并联机构的构型方案，中国燕山大学的赵铁石、于海波和英国伦敦大学的戴建生提出了采用3RSS/S机构模拟踝关节的3个自由度的运动。但现有技术的上述踝关节康复装置，都不同程度地存在某些不足之处。如Rutgers Ankle系统采用六自由度的Stewart机构，控制系统复杂，造价很高，难以推广应用。3RSS/S机构由于采用球铰，与采用回转铰链相比，其加工制造性差，制造成本高。\n三、发明内容\n[0003] 针对现有技术的踝关节康复训练装置存在的不足，本发明的目的旨在提供一种能够模拟踝关节的真实运动，具备实现踝关节康复训练所需的功能，且机械系统结构简单、紧凑，制造加工性能好，制造成本低的踝关节康复训练装置。\n[0004] 本发明公开的可以实现上述目的的踝关节康复训练装置，主要包括一个自由度的转动机构，两个自由度的球面并联机构，以及脚托盘，所述球面并联机构由作为机构机架的固定平台、作为输出构件的动平台和3根连杆构成，其中一根连杆通过转动副与固定平台和动平台联接，构成驱动动平台回转运动的一条运动支链，另外两根连杆相互铰接，两根连杆的另外两端通过转动副分别与固定平台和动平台联接，构成驱动动平台绕另一轴线回转运动的另一条运动支链，动平台回转运动的两轴线相垂直，两条运动支链分别由伺服驱动装置驱动，脚托盘安置在动平台上，球面并联机构的固定平台与转动机构的回转构件刚性固结，通过转动副安置在转动机构的机架支承上，由伺服驱动装置驱动转动，构成装置的球面串并联模拟运动机构，实现对踝关节真实运动的模拟。\n[0005] 在上述技术方案中，构成球面并联机构各构件间的转动副轴线可相交于一点，且最好是各构件间的转动副轴线垂直地交于一点。\n[0006] 在上述技术方案中，构成球面并联机构的3根连杆的各杆弧长度为π/2。\n[0007] 在上述技术方案中，转动机构的回转轴线与构成球面并联机构的各构件间的转动副轴线的交点相交。\n[0008] 在上述技术方案中，所说的伺服驱动装置为伺服电动机。\n[0009] 本发明揭示的踝关节康复训练装置，其踝关节模拟运动机构是基于2自由度的球面并联(五杆)机构设计而成。球面并联(五杆)机构3连杆形成的两条并联运动支链分别由伺服电机驱动，可使作为输出构件的动平台实现两个方向的转动，两个自由度球面并联机构的固定平台与一个自由度转动机构的回转构件刚性固结，通过转动副安置在转动机构的机架支承上，由伺服驱动装置驱动转动，构成了具有3个回转自由度的球面串并联机构，可真实地模拟踝关节运动，实现对踝关节牵引、康复训练等功能。本发明公开的踝关节康复训练装置，由于其运动机构的各运动副均为转动副，因此其制造加工性能好，制造成本低，机械系统结构简单、紧凑。特别是采用3自由度的串并联机构，降低了其运动学和动力学求解的难度，控制系统设计得到简化，康复训练数据易于处理，进一步提高了制造加工性能，降低了装置制造成本。本发明解决了现有技术的踝关节康复训练装置存在的不足，为踝关节康复训练提供了一种更容易为人们接受推广的康复装置。\n[0010] 四、附图简要说明\n[0011] 附图1为本发明一个实施例的总体结构示意图。\n[0012] 附图2为附图1中实施例的2自由度球面并联机构示意图。\n[0013] 附图3为附图1中实施例的3自由度串并联机构简图。\n[0014] 附图4为本发明另一个实施例的总体结构示意图。\n[0015] 附图5为附图4中实施例的2自由度球面并联机构示意图。\n[0016] 附图6为附图4中实施例的3自由度串并联机构简图。\n[0017] 附图7为本发明又另一个实施例的总体结构示意图。\n[0018] 附图8为附图7中实施例的2自由度球面并联机构示意图。\n[0019] 附图9为附图7中实施例的3自由度串并联机构简图。\n[0020] 上述各附图中的图标号标识对象为：1机架底座；2机架支承；3固定平台；4连杆；\n5连杆；6联轴器；7伺服电机；8脚托盘；9动平台；10连杆；11伺服电机；12联轴器；13伺服电机。\n五、具体实施方式\n[0021] 下面结合附图图面说明给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明的结构和工作原理作进一步的说明。有必要在这里特别说明的是，本发明的具体实施方式不限于实施例中的形式，根据本发明公开的内容，所属技术领域的技术人员还可以采取其他的具体方式进行实施，因此，实施例不能理解为是本发明仅可以实施的具体实施方式。\n[0022] 实施例1\n[0023] 本实施例的踝关节康复训练装置的结构如图1、附图2和附图3所示。由一个自由度的转动机构，两个自由度的球面并联机构和托盘8构成，所述球面并联机构由固定平台3、作为输出构件的动平台9和3根连杆构成，其中一根连杆10为“Y”型结构杆，通过转动副与固定平台和动平台联接，构成驱使动平台回转运动的一条运动支链，该条运动支链由伺服电机13通过联轴器12驱动，动平台在该条运动支链的驱动下绕Y轴回转运动。另外两根连杆4和5通过转动副相互转动联接，其中连杆5的另一端通过转动副与固定平台\n3的支承联接，连杆4的另一端通过转动副与动平台联接，构成驱动动平台回转运动的另一条运动支链，该条运动支链由安装在固定平台支承上的伺服电机7通过联轴器6驱动，动平台在该条运动支链驱动下绕Z轴回转运动，构成具有2个转动自由度的球面并联机构。所构成的球面并联机构，动平台的两回转轴线-Y轴、Z轴垂直相交。球面并联机构的固定平台3与转动机构的回转构件刚性固结，通过转动副安置在转动机构的机架支承2上，在伺服驱动电机11驱动下绕X轴转动，构成具有3个转动自由度的串并联球面机构。其机构简图如图3所示。机架支承2通过螺栓与机架底座1刚性固定联结。\n[0024] 本实施例的踝关节康复训练装置的工作运行过程如下：安装在固定平台3上的两个伺服电机7、13通过驱动球面并联机构的两个主动构件5和10，使作为球面并联机构输出构件的动平台可实现绕y、z轴两个方向转动，在伺服电机11驱动下使球面并联机构绕x轴转动，构成一具有3个转动自由度的球面串并联机构，与动平台相固定的脚托盘在上述\n3自由度串并联球面机构带动下，可以实现对踝关节真实运动的模拟，能够有效地提供对踝关节实现牵引和康复训练等功能。\n[0025] 实施例2\n[0026] 本实施例的踝关节康复训练装置的结构如图4、附图5和附图6所示。本实施例踝关节康复训练装置的结构与实施例1的结构基本相同，所不同的地方仅是，通过转动副安装在机架支承2上的2自由度球面并联机构在伺服驱电机11驱动下的回转轴线X轴，相交于动平台两回转轴线-Y轴与Z轴的交点。其机构简图如图6所示。\n[0027] 实施例3\n[0028] 本实施例的踝关节康复训练装置的结构如图7、附图8和附图9所示。本实施例踝关节康复训练装置的结构与实施例1的结构基本相同，所不同的地方是，驱动两条并联支链的两个伺服电机分别安装在固定平台的两个安装支承上，球面并联机构输出构件动平台在3根连杆构成的两条并联运动支链驱使下回转运动的两回转轴线为X轴和Y轴，如附图\n8所示。通过转动副安装在转动机构机架上的2自由度球面并联机构，在伺服驱电机11驱动下回转运动的轴线为Z轴，Z轴与X轴和Y轴的交点相交。其机构简图如附图9所示。