一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构

1.一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构，其特征在于：包括动平台(D)、约束支链(Y)、第一主动支链(Z1)、第二主动支链(Z2)、第三主动支链(Z3)和底座(1)：
所述动平台(D)包括上平台(10)、下平台(9)和脚挡板(13)，所述上平台(10)和下平台(9)通过连接件(T)连接，所述连接件(T)包括上基座(19)和下基座(20)，所述连接件(T)通过调节螺钉进行上下平台间相对位置调节，所述下平台(9)固连有连接杆(12)，所述连接杆(12)通过轴承一(21)与弧形连杆(11)相连构成转动副一(R1)，所述脚挡板(13)通过螺钉(18)调节人脚(23)与上平台(10)的相对位置；
所述约束支链(Y)包括下转动连杆(16)、对称连杆一(14-1)、对称连杆二(14-2)和上弧形连杆(11)，所述下转动连杆(16)的两端固设有对称连杆一(14-1)、对称连杆二(14-2)，所述对称连杆一(14-1)和对称连杆二(14-2)关于转动副三(R3)轴线(a3)对称布置，所述对称连杆一(14-1)的上端和对称连杆二(14-2)的上端分别通过转动副二(R2)与上弧形连杆(11)的两端进行连接，所述下转动连杆(16)通过轴承二(22)与底座转动轴(17)相连构成转动副三(R3)；
所述转动副三(R3)轴线(a3)与转动副二(R2)轴线(a2)、转动副一(R1)轴线(a1)的延长线交于一点O为人体踝关节的转动中心；
所述主动支链包括第一主动支链(Z1)、第二主动支链(Z2)和第三主动支链(Z3)，所述第一主动支链(Z1)、第二主动支链(Z2)和第三主动支链(Z3)均为倾斜布置但连接位置均匀分布在下平台(9)和底座(1)之间的UPS支链；
所述第一主动支链(Z1)包括依次连接的第一主动支链轴承座(2-1)、第一主动支链U副连接件一(3-1)、第一主动支链U副连接件二(4-1)、第一主动支链电动推杆式线性驱动器(P1)、第一主动支链球副连杆(5-1)、第一主动支链球副组件一(6-1)、第一主动支链球副组件二(7-1)、第一主动支链球副固定座(8-1)，所述第一主动支链球副固定座(8-1)与下平台(9)固定连接，所述第一主动支链轴承座一(2-1)与底座(1)固定连接，所述第一主动支链球副连杆(5-1)与第一主动支链U副连接件二(4-1)连接在第一主动支链电动推杆式线性驱动器(P1)上；
所述第一主动支链球副固定座(8-1)与第一主动支链球副组件二(7-1)构成第一主动支链第一转动副(K11)，第一主动支链球副组件二(7-1)与第一主动支链球副组件一(6-1)构成第一主动支链第二转动副(K12)，第一主动支链球副组件一(6-1)与第一主动支链球副连杆(5-1)构成第一主动支链第三转动副(K13)，第一主动支链第一转动副(K11)、第一主动支链第二转动副(K12)与第一主动支链第三转动副(K13)三者相交于一点，并且第一主动支链第一转动副(K11)、第一主动支链第三转动副(K13)的轴线分别与第一主动支链第二转动副(K12)的轴线正交，构成第一主动支链球副(S1)，所述第一主动支链轴承座(2-1)与第一主动支链U副连接件一(3-1)构成第一主动支链第四转动副(K14)，第一主动支链U副连接件一(3-1)与第一主动支链U副连接件二(4-1)构成第一主动支链第五转动副(K15)，第一主动支链第四转动副(K14)的轴线与第一主动支链第五转动副(K15)的轴线相互垂直，构成第一主动支链虎克副(U1)，所述第一主动支链(Z1)的上端通过第一主动支链球副(S1)与下平台(9)连接，所述第一主动支链(Z1)的下端通过第一主动支链虎克副(U1)与底座(1)连接；
所述第二主动支链(Z2)包括依次连接的第二主动支链轴承座(2-2)、第二主动支链U副连接件一(3-2)、第二主动支链U副连接件二(4-2)、第二主动支链电动推杆式线性驱动器(P2)、第二主动支链球副连杆(5-2)、第二主动支链球副组件一(6-2)、第二主动支链球副组件二(7-2)、第二主动支链球副固定座(8-2)，所述第二主动支链球副固定座(8-2)与下平台(9)固定连接，所述第二主动支链轴承座(2-2)与底座(1)固定连接，所述第二主动支链球副连杆(5-2)与第二主动支链U副连接件二(4-2)连接在第二主动支链电动推杆式线性驱动器(P2)上；
所述第二主动支链球副固定座(8-2)与第二主动支链球副组件二(7-2)构成第二主动支链第一转动副(K21)，第二主动支链球副组件二(7-2)与第二主动支链球副组件一(6-2)构成第二主动支链第二转动副(K22)，第二主动支链球副组件一(6-2)与第二主动支链球副连杆(5-2)构成第二主动支链第三转动副(K23)，第二主动支链第一转动副(K21)、第二主动支链第二转动副(K22)与第二主动支链第三转动副(K23)三者相交于一点，并且第二主动支链第一转动副(K21)、第二主动支链第三转动副(K23)的轴线分别与第二主动支链第二转动副(K22)的轴线正交，构成第二主动支链球副(S2)，所述第二主动支链轴承座(2-2)与第二主动支链U副连接件一(3-2)构成第二主动支链第四转动副(K24)，第二主动支链U副连接件一(3-2)与第二主动支链U副连接件二(4-2)构成第二主动支链第五转动副(K25)，第二主动支链第四转动副(K24)的轴线与第二主动支链第五转动副(K25)的轴线相互垂直，构成第二主动支链虎克副(U2)，所述第二主动支链(Z2)的上端通过第二主动支链球副(S2)与下平台(9)连接，所述第二主动支链(Z2)的下端通过第二主动支链虎克副(U2)与底座(1)连接；
所述第三主动支链(Z3)包括依次连接的第三主动支链轴承座(2-3)、第三主动支链U副连接件一(3-3)、第三主动支链U副连接件二(4-3)、第三主动支链电动推杆式线性驱动器(P3)、第三主动支链球副连杆(5-3)、第三主动支链球副组件一(6-3)、第三主动支链球副组件二(7-3)、第三主动支链球副固定座(8-3)，所述第三主动支链球副固定座(8-3)与下平台(9)固定连接，所述第三主动支链轴承座(2-3)与底座(1)固定连接，所述第三主动支链球副连杆(5-3)与第三主动支链U副连接件二(4-3)连接在第三主动支链电动推杆式线性驱动器(P3)上；
所述第三主动支链球副固定座(8-3)与第三主动支链球副组件二(7-3)构成第三主动支链第一转动副(K31)，第三主动支链球副组件二(7-3)与第三主动支链球副组件一(6-3)构成第三主动支链第二转动副(K32)，第三主动支链球副组件一(6-3)与第三主动支链球副连杆(5-3)构成第三主动支链第三转动副(K33)，第三主动支链第一转动副(K31)、第三主动支链第二转动副(K32)与第三主动支链第三转动副(K33)三者相交于一点，并且第三主动支链第一转动副(K31)、第三主动支链第三转动副(K33)的轴线分别与第三主动支链第二转动副(K32)的轴线正交，构成第三主动支链球副(S3)，所述第三主动支链轴承座(2-3)与第三主动支链U副连接件一(3-3)构成第三主动支链第四转动副(K34)，第三主动支链U副连接件一(3-3)与第三主动支链U副连接件二(4-3)构成第三主动支链第五转动副(K35)，第三主动支链第四转动副(K34)的轴线与第三主动支链第五转动副(K35)的轴线相互垂直，构成第三主动支链虎克副(U3)，所述第三主动支链(Z3)的上端通过第三主动支链球副(S3)与下平台(9)连接，所述第三主动支链(Z3)的下端通过第三主动支链虎克副(U3)与底座(1)连接。

一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构\n技术领域\n[0001] 本发明涉及康复医疗器械领域，具体涉及一种辅助踝关节康复训练的并联机构。\n背景技术\n[0002] 踝关节是人体下肢的三大关节之一，是人体运动的重要枢纽和承重关节。在日常生活中，踝关节直接参与站立、跨步、跳跃等动作，并吸收来自地面的冲击，起到保护关节的作用，但无法回避的是，人类是由四足行走的人猿进化而来的，所以在进化成两足直立行走后，人类的足部关节存在着先天的缺陷。这种先天的缺陷使得人类的踝关节成为最容易受到损伤的人体关节之一。如踝关节损伤未得到及时、正确的治疗，受损伤的本体感觉系统会加重踝关节的不稳定状态，导致再次损伤的发生几率上升，甚至引起其他关节损伤，出现不良连锁反应。所以，除了必要的药物治疗，应该配合相应阶段的康复训练，而踝关节康复机构的应用不仅可以满足康复的需要，而且还可以通过有规律的康复训练，加快康复速度。\n[0003] 根据人体解剖学可知，踝关节日常运动的三种最基本的方式包括：背伸/跖屈、内翻/外翻和内收/外展，可以简化为三个垂直方向的转动运动。因此，为了满足踝关节康复训练要求，本发明提出了一种具有三个转动自由度，机构转动中心与脚踝转动中心重合，能够模拟踝关节运动规律的主动支链倾斜布置的踝关节康复机构。\n发明内容\n[0004] 本发明要解决的技术问题是，提供一种能满足踝关节康复运动需要，且结构相对简单、驱动平稳、使用方便的3-UPS/RRR并联式踝关节康复装置，该装置可根据不同患者的需要，调整动平台到转动中心的前后和上下距离，满足机构转动中心与患者的踝关节转动中心重合，同时采用主动支链倾斜布置避开机构奇异位形，使机构在康复运动所需的工作空间内具有良好的运动学性能。\n[0005] 本发明解决技术问题所采用的方案是：\n[0006] 一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构，其特征在于：包括动平台(D)、约束支链(Y)、第一主动支链(Z1)、第二主动支链(Z2)、第三主动支链(Z3)和底座(1)：所述动平台(D)包括脚挡板(13)、上平台(10)和下平台(9)，所述脚挡板(13)通过螺钉(18)调节人脚(23)与上平台(10)的相对位置，所述上平台(10)和下平台(9)通过连接件(T)连接，所述连接件(T)包括上基座(19)和下基座(20)，所述下平台(9)固连有连接杆(12)，所述连接杆(12)通过轴承一(21)与弧形连杆(11)相连构成转动副一(R1)。\n[0007] 进一步地，所述约束支链(Y)包括下转动连杆(16)、对称连杆一(14-1)、对称连杆二(14-2)和上弧形连杆(11)，所述下转动连杆(16)的两端固设有对称连杆一(14-1)、对称连杆二(14-2)，所述对称连杆一(14-1)和对称连杆二(14-2)关于转动副三(R3)轴线(a3)对称布置，所述对称连杆一(14-1)的上端和对称连杆二(14-2)的上端分别通过转动副二(R2)与弧形连杆(11)的两端进行连接，所述下转动连杆(16)通过轴承二(22)与底座转动轴(17)相连构成转动副三(R3)。\n[0008] 进一步地，所述转动副三(R3)轴线(a3)与转动副二(R2)轴线(a2)、转动副一(R1)轴线(a1)的延长线交于一点O为人体踝关节的转动中心。\n[0009] 进一步地，所述主动支链包括第一主动支链(Z1)、第二主动支链(Z2)和第三主动支链(Z3)，所述第一主动支链(Z1)、第二主动支链(Z2)和第三主动支链(Z3)均为倾斜布置但连接位置均匀分布在下平台(9)和底座(1)之间的UPS支链；\n[0010] 进一步地，所述第一主动支链(Z1)包括依次连接的第一主动支链轴承座(2-1)、第一主动支链U副连接件一(3-1)、第一主动支链U副连接件二(4-1)、第一主动支链电动推杆式线性驱动器(P1)、第一主动支链球副连杆(5-1)、第一主动支链球副组件一(6-1)、第一主动支链球副组件二(7-1)、第一主动支链球副固定座(8-1)，所述第一主动支链球副固定座(8-1)与下平台(9)固定连接，所述第一主动支链轴承座一(2-1)与底座(1)固定连接，所述第一主动支链球副连杆(5-1)与第一主动支链U副连接件二(4-1)连接在第一主动支链电动推杆式线性驱动器(P1)上；\n[0011] 进一步地，所述第一主动支链球副固定座(8-1)与第一主动支链球副组件二(7-1)构成第一主动支链第一转动副(K11)，第一主动支链球副组件二(7-1)与第一主动支链球副组件一(6-1)构成第一主动支链第二转动副(K12)，第一主动支链球副组件一(6-1)与第一主动支链球副连杆(5-1)构成第一主动支链第三转动副(K13)，第一主动支链第一转动副(K11)、第一主动支链第二转动副(K12)与第一主动支链第三转动副(K13)三者相交于一点，并且第一主动支链第一转动副(K11)、第一主动支链第三转动副(K13)的轴线分别与第一主动支链第二转动副(K12)的轴线正交，构成第一主动支链球副(S1)，所述第一主动支链轴承座(2-1)与第一主动支链U副连接件一(3-1)构成第一主动支链第四转动副(K14)，第一主动支链U副连接件一(3-1)与第一主动支链U副连接件二(4-1)构成第一主动支链第五转动副(K15)，第一主动支链第四转动副(K14)的轴线与第一主动支链第五转动副(K15)的轴线相互垂直，构成第一主动支链虎克副(U1)，所述第一主动支链(Z1)的上端通过第一主动支链球副(S1)与下平台(9)连接，所述第一主动支链(Z1)的下端通过第一主动支链虎克副(U1)与底座(1)连接；\n[0012] 进一步地，所述第二主动支链(Z2)包括依次连接的第二主动支链轴承座(2-2)、第二主动支链U副连接件一(3-2)、第二主动支链U副连接件二(4-2)、第二主动支链电动推杆式线性驱动器(P2)、第二主动支链球副连杆(5-2)、第二主动支链球副组件一(6-2)、第二主动支链球副组件二(7-2)、第二主动支链球副固定座(8-2)，所述第二主动支链球副固定座(8-2)与下平台(9)固定连接，所述第二主动支链轴承座(2-2)与底座(1)固定连接，所述第二主动支链球副连杆(5-2)与第二主动支链U副连接件二(4-2)连接在第二主动支链电动推杆式线性驱动器(P2)上；\n[0013] 进一步地，所述第二主动支链球副固定座(8-2)与第二主动支链球副组件二(7-2)构成第二主动支链第一转动副(K21)，第二主动支链球副组件二(7-2)与第二主动支链球副组件一(6-2)构成第二主动支链第二转动副(K22)，第二主动支链球副组件一(6-2)与第二主动支链球副连杆(5-2)构成第二主动支链第三转动副(K23)，第二主动支链第一转动副(K21)、第二主动支链第二转动副(K22)与第二主动支链第三转动副(K23)三者相交于一点，并且第二主动支链第一转动副(K21)、第二主动支链第三转动副(K23)的轴线分别与第二主动支链第二转动副(K22)的轴线正交，构成第二主动支链球副(S2)，所述第二主动支链轴承座(2-2)与第二主动支链U副连接件一(3-2)构成第二主动支链第四转动副(K24)，第二主动支链U副连接件一(3-2)与第二主动支链U副连接件二(4-2)构成第二主动支链第五转动副(K25)，第二主动支链第四转动副(K24)的轴线与第二主动支链第五转动副(K25)的轴线相互垂直，构成第二主动支链虎克副(U2)，所述第二主动支链(Z2)的上端通过第二主动支链球副(S2)与下平台(9)连接，所述第二主动支链(Z2)的下端通过第二主动支链虎克副(U2)与底座(1)连接；\n[0014] 进一步地，所述第三主动支链(Z3)包括依次连接的第三主动支链轴承座(2-3)、第三主动支链U副连接件一(3-3)、第三主动支链U副连接件二(4-3)、第三主动支链电动推杆式线性驱动器(P3)、第三主动支链球副连杆(5-3)、第三主动支链球副组件一(6-3)、第三主动支链球副组件二(7-3)、第三主动支链球副固定座(8-3)，所述第三主动支链球副固定座(8-3)与下平台(9)固定连接，所述第三主动支链轴承座(2-3)与底座(1)固定连接，所述第三主动支链球副连杆(5-3)与第三主动支链U副连接件二(4-3)连接在第三主动支链电动推杆式线性驱动器(P3)上；\n[0015] 进一步地，所述第三主动支链球副固定座(8-3)与第三主动支链球副组件二(7-3)构成第三主动支链第一转动副(K31)，第三主动支链球副组件二(7-3)与第三主动支链球副组件一(6-3)构成第三主动支链第二转动副(K32)，第三主动支链球副组件一(6-3)与第三主动支链球副连杆(5-3)构成第三主动支链第三转动副(K33)，第三主动支链第一转动副(K31)、第三主动支链第二转动副(K32)与第三主动支链第三转动副(K33)三者相交于一点，并且第三主动支链第一转动副(K31)、第三主动支链第三转动副(K33)的轴线分别与第三主动支链第二转动副(K32)的轴线正交，构成第三主动支链球副(S3)，所述第三主动支链轴承座(2-3)与第三主动支链U副连接件一(3-3)构成第三主动支链第四转动副(K34)，第三主动支链U副连接件一(3-3)与第三主动支链U副连接件二(4-3)构成第三主动支链第五转动副(K35)，第三主动支链第四转动副(K34)的轴线与第三主动支链第五转动副(K35)的轴线相互垂直，构成第三主动支链虎克副(U3)，所述第三主动支链(Z3)的上端通过第三主动支链球副(S3)与下平台(9)连接，所述第三主动支链(Z3)的下端通过第三主动支链虎克副(U3)与底座(1)连接。\n[0016] 进一步地，所述第一主动支链底座(2-1)、第二主动支链底座(2-2)、第三主动支链底座(2-3)关于Q点互成120度角，第一主动支链球副固定座(8-1)、第二主动支链球副固定座(8-2)、第三主动支链球副固定座(8-3)关于W点互成120度角，第一主动支链球副固定座(8-1)在底座(1)上投影与第一主动支链底座(2-1)关于Q点呈α角；第二主动支链球副固定座(8-2)在底座(1)上投影与第二主动支链底座(2-2)关于Q点呈α角；第三主动支链球副固定座(8-3)在底座(1)上投影与第三主动支链底座(2-3)关于Q点呈α角，所述α角的取值范围是50度—120度。更进一步地，第一主动支链球副固定座(8-1)在底座(1)上投影与第一主动支链底座(2-1)关于Q点呈72度角；第二主动支链球副固定座(8-2)在底座(1)上投影与第二主动支链底座(2-2)关于Q点呈72度角；第三主动支链球副固定座(8-3)在底座(1)上投影与第三主动支链底座(2-3)关于Q点呈72度角。\n[0017] 本发明由于采用以上技术方案，设计出满足踝关节康复运动需要，能在三个垂直方向转动，且结构简单、驱动平稳、使用方便的康复机构。由于约束支链与动平台的设计保证了踝关节转动中心与机构转动中心重合，同时所提出的主动支链的倾斜布置避开了机构的奇异位形，使机构在康复运动所需的工作空间内具有良好的运动学性能。\n[0018] 下面结合附图对本发明的一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构做进一步说明。\n附图说明\n[0019] 图1为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构总体结构三维示意图；\n[0020] 图2为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构总体结构侧视图；\n[0021] 图3为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构动平台分解示意图；\n[0022] 图4为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构上下调节装置的结构示意图；\n[0023] 图5为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构连接杆与弧形连杆连接分解示意图；\n[0024] 图6为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构约束支链示意图；\n[0025] 图7为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构第一主动支链与上平台连接示意图；\n[0026] 图8为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构第二主动支链与上平台连接示意图；\n[0027] 图9为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构第三主动支链与上平台连接示意图；\n[0028] 图10为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构电动推杆式线性驱动器连接示意图；\n[0029] 图11为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构第一主动支链与底座连接示意图；\n[0030] 图12为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构第二主动支链与底座连接示意图；\n[0031] 图13为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构第三主动支链与底座连接示意图；\n[0032] 图14为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构下平台与底座的俯视图；\n[0033] 图15为本发明一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构底座结构示意图。\n[0034] 图中：1—底座；2-1—第一主动支链底座；2-2—第二主动支链底座；2-3—第三主动支链底座；3-1—第一主动支链U副连接件一；3-2—第二主动支链U副连接件一；3-3—第三主动支链U副连接件一；4-1—第一主动支链U副连接件二；4-2—第二主动支链U副连接件二；4-3—第三主动支链U副连接件二；5-1—第一主动支链球副连杆；5-2—第二主动支链球副连杆；5-3—第三主动支链球副连杆；6-1—第一主动支链球副组件一；6-2—第二主动支链球副组件一；6-3—第三主动支链球副组件一；7-1—第一主动支链球副组件二；7-2—第二主动支链球副组件二；7-3—第三主动支链球副组件二；8-1—第一主动支链球副固定座；\n8-2—第二主动支链球副固定座；8-3—第三主动支链球副固定座；9—下平台；10—上平台；\n11—上弧形连杆；12—连接杆；13—脚挡板；14-1—对称连杆一；14-2—对称连杆二；15-1—调节螺钉一；15-2—调节螺钉二；16—下转动连杆；17—底座转动轴；18—螺钉；19—上基座；20—下基座；21—轴承一；22—轴承二；23—脚；24—弹性绑带；D—动平台；Y—约束支链；Z1—第一主动支链；Z2—第二主动支链；Z3—第三主动支链；T—连接件；S1—第一主动支链球副；S2—第二主动支链球副；S3—第三主动支链球副；U1—第一主动支链虎克副；\nU2—第二主动支链虎克副；U3—第三主动支链虎克副；P1—第一主动支链电动推杆式线性驱动器；P2—第二主动支链电动推杆式线性驱动器；P3—第三主动支链电动推杆式线性驱动器；R1—转动副一；R2—转动副二；R3—转动副三；a1—转动副一(R1)轴线；a2—转动副二(R2)轴线；a3—转动副三(R3)轴线；K11—第一主动支链第一转动副；K12—第一主动支链第二转动副；K13—第一主动支链第三转动副；K14—第一主动支链第四转动副；K15—第一主动支链第五转动副；K21—第二主动支链第一转动副；K22—第二主动支链第二转动副；\nK23—第二主动支链第三转动副；K24—第二主动支链第四转动副；K25—第二主动支链第五转动副；K31—第三主动支链第一转动副；K32—第三主动支链第二转动副；K33—第三主动支链第三转动副；K34—第三主动支链第四转动副；K35—第三主动支链第五转动副。\n具体实施方式\n[0035] 如图1—图15所示，本发明为一种主动支链倾斜布置的踝关节康复机构，采用3-UPS/RRR型并联机构，包括动平台(D)、约束支链(Y)、主动支链(Z1，Z2，Z3)和底座(1)，在进行康复训练过程中，患者首先将脚(23)放到动平台(D)中的上平台(10)上，然后通过脚挡板(13)和连接件件(T)调节人脚(23)与下平台(9)的之间的相对位置，从而保证患者脚踝转动中心与康复装置的转动中心重合，同时在训练中，患者的脚(23)可以通过脚挡板(13)和弹性绑带(24)绑缚在上平台(10)上，避免机构转动时人脚(23)与上平台(10)出现较大的相对位移，造成不必要的损伤。\n[0036] 由于约束支链(Y)限制了动平台(D)的移动，故通过三个电动推杆式线性驱动器(P1，P2，P3)的驱动，动平台(D)可以实现如图(6)中绕轴线a1、a2、a3三个方向上的转动，即踝关节的趾屈/背伸、内翻/外翻、内收/外展运动，故此踝关节康复机构能很好的满足踝关节康复训练的需要。