專(zhuān)利名稱(chēng)：一種踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人肢體康復(fù)器械，具體為一種可實(shí)現(xiàn)患者踝關(guān)節(jié)自動(dòng)做 康復(fù)運(yùn)動(dòng)的康復(fù)器械，取名為踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，國(guó)際專(zhuān)利分類(lèi)號(hào)擬為
Int. Cl. A61H 1/00(2006.01)。
背景技術(shù)：
美國(guó)魯特格大學(xué)的Girone先生和他的同事研制了一套利用魯特格踝接口 進(jìn)行矯形康復(fù)的裝置，該裝置可用來(lái)幫助患有踝關(guān)節(jié)肌肉損傷的病人實(shí)施康 復(fù)訓(xùn)練(參見(jiàn)吉羅尼等，應(yīng)用"魯特格踝"接口矯形康復(fù).虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)學(xué) 術(shù)會(huì)議論集，2000年1月，Girone， M. J., et al. 0thopedic Rehabilitation Using the "Rutgers Ankle" Interface[A]. Proc. of Medicine Meets Virtual Reality 2000[C].I0S Press, pp. 89-95， January 2000.)。該裝置基于Stewart平臺(tái)，采用氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)使動(dòng)平臺(tái)實(shí) 現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)，腳踝活動(dòng)空間大，便于實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。但該裝置 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配置獨(dú)立氣源，制造和使用成本高。倫敦大學(xué)的Jian S.Dai 等人介紹了一種球面副S、移動(dòng)副P(pán)和球面副S (3SPS/S)并聯(lián)裝置的方案， 試圖用來(lái)實(shí)現(xiàn)踝部物理治療裝置動(dòng)平臺(tái)的三自由度運(yùn)動(dòng)(參見(jiàn)Jian S.Dai. 等人.扭傷踝部物理治療機(jī)構(gòu)綜合與機(jī)器人康復(fù)裝置剛性分析.自主機(jī)器人 2004,16:207-218. Jian S. Dai， Tieshi Zhao ， Christopher. Sprained Ankle Physiotherapy Based Mechanism Synthesis and Stiffness Analysis of a Robotic Rehabilitation Device. Autonomous Robots, 2004， (16): 207-218.)。但該方案也存在驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副P(pán)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)較為困難的 不足，且未見(jiàn)該方案具體技術(shù)的報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不完善性，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，設(shè)計(jì)一種踝關(guān) 節(jié)康復(fù)機(jī)器人，該踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人具有三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其動(dòng)平臺(tái)可帶動(dòng) 損傷的腳踝實(shí)現(xiàn)功能訓(xùn)練，同時(shí)具有主動(dòng)運(yùn)動(dòng)治療和被動(dòng)運(yùn)動(dòng)治療的功能， 且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，調(diào)節(jié)方便，運(yùn)動(dòng)參數(shù)可自動(dòng)記錄，有利于腳踝關(guān)節(jié) 損傷的科學(xué)治療與康復(fù)。
本發(fā)明解決所述機(jī)器人技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī) 器人，它包括機(jī)械部分、控制部分和顯示部分，所述的機(jī)械部分包括底座和 動(dòng)平臺(tái)，在底座和動(dòng)平臺(tái)之間并聯(lián)均布安裝有三根具有相同結(jié)構(gòu)的支鏈和一 根具有中心球面副的中心約束桿，每個(gè)支鏈均由轉(zhuǎn)動(dòng)副、下球面副、連桿和 上球面副構(gòu)成；所述下球面副通過(guò)螺栓固定在轉(zhuǎn)動(dòng)副的端部，下球面副通過(guò) 連接桿與上球面副連成一體，上球面副固連在動(dòng)平臺(tái)的下表面；所述中心約 束桿的上端通過(guò)球鉸與動(dòng)平臺(tái)的中心相連接；在底座上均布固裝有三塊相同 的彎板，三臺(tái)相同規(guī)格的力矩電機(jī)分別安裝在所述的三塊彎板上，且分別與 所述的三根支鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)連接；所述的動(dòng)平臺(tái)上安裝有腳踏板，動(dòng)平臺(tái) 與腳踏板之間安裝有三維或六維力/力矩傳感器，所述轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸上安裝有 位置傳感器；所述的控制部分包括計(jì)算機(jī)及其軟件、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和驅(qū)動(dòng) 器；所述的軟件包括與患者實(shí)現(xiàn)交互作用的康復(fù)軟件，康復(fù)軟件包括康復(fù)訓(xùn) 練、信息反饋和功能評(píng)價(jià)三個(gè)子系統(tǒng)；所述的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡放在PC計(jì)算 機(jī)的插槽中，并采用電纜通過(guò)驅(qū)動(dòng)器分別與所述的三臺(tái)力矩電機(jī)相連接；所 述的顯示部分包括與計(jì)算機(jī)線纜連接的顯示器。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 現(xiàn)有的踝關(guān)節(jié)康復(fù)器械只能完成簡(jiǎn)單的動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)參數(shù)無(wú)法調(diào)節(jié)。本 發(fā)明踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機(jī)器人借助于計(jì)算機(jī)和機(jī)器人系統(tǒng)以及多軸運(yùn)動(dòng)控制卡 通過(guò)驅(qū)動(dòng)器拖動(dòng)力矩電機(jī)工作，帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)自動(dòng)地對(duì)患者腳踝部位進(jìn)行多方 位的康復(fù)醫(yī)療或訓(xùn)練，并且調(diào)節(jié)靈活，運(yùn)動(dòng)參數(shù)自動(dòng)記錄。
2. 現(xiàn)有的美國(guó)魯特格踝關(guān)節(jié)康復(fù)器械具有六個(gè)自由度，根據(jù)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng) 的可能性，實(shí)際上，踝關(guān)節(jié)的康復(fù)運(yùn)動(dòng)僅需要三個(gè)自由度。因此六個(gè)自由度的器械屬于多余功能，使其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且采用的氣動(dòng)伺服裝置需要配 備獨(dú)立氣源，造價(jià)昂貴，使用不便且受限于成本。本發(fā)明滿(mǎn)足踝關(guān)節(jié)康復(fù)運(yùn) 動(dòng)所需要的三個(gè)自由度，采用電驅(qū)動(dòng)，電源方便，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉， 便于制造和實(shí)際使用。
3.現(xiàn)有的踝關(guān)節(jié)康復(fù)器械的力和位置參數(shù)不易測(cè)量。本發(fā)明踝關(guān)節(jié)康 復(fù)機(jī)器人所述的三維力/力矩傳感器和光電編碼器(位置傳感器)設(shè)計(jì)，可 以方便地測(cè)量力和位置參數(shù)。并可以建立患者康復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)，便于醫(yī)生了解患 者康復(fù)狀況，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)來(lái)科學(xué)制定患者進(jìn)一步康復(fù)治療的計(jì)劃。


圖1為本發(fā)明踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)和外觀形狀示意
圖2為本發(fā)明踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人一種實(shí)施例的3-RSS/S結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人一種實(shí)施例的子系統(tǒng)與患者的關(guān)系框
圖4為本發(fā)明踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人一種實(shí)施例的控制部分結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人一種實(shí)施例的工作流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)器人，參見(jiàn)圖l一 5)，它包括機(jī)械部分、控制部分和顯示部分。所述的機(jī)械部分包括底座1 和動(dòng)平臺(tái)11，在底座1和動(dòng)平臺(tái)11之間并聯(lián)均布安裝有三根具有相同結(jié)構(gòu) 的支鏈和一根具有中心球面副10的中心約束桿15，每個(gè)支鏈均由轉(zhuǎn)動(dòng)副 (曲柄)5、下球面副4、連桿8和上球面副9構(gòu)成(即3—RSS/S結(jié)構(gòu)， R—轉(zhuǎn)動(dòng)副，S—球面副)。所述下球面副4通過(guò)螺栓2固定在轉(zhuǎn)動(dòng)副(曲 柄)5的端部，下球面副4通過(guò)連桿8與上球面副9連成一體，上球面副9 固連在動(dòng)平臺(tái)11的中心下表面；所述中心約束桿15的上端通過(guò)球鉸10與動(dòng)平臺(tái)11的中心相連接；三臺(tái)相同規(guī)格的力矩電機(jī)6分別安裝在三塊相同 的彎板3上，彎板3均布固裝在底座1上。所述轉(zhuǎn)動(dòng)副(曲柄)5安裝在力 矩電機(jī)6的軸上，由力矩電機(jī)6帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。所述的動(dòng)平臺(tái)11上安裝有腳踏 板13，動(dòng)平臺(tái)11與腳踏板13之間安裝有三維或六維力/力矩傳感器12 (實(shí) 施例是六維的，因目前國(guó)內(nèi)市售商品傳感器只有六維的)；所述轉(zhuǎn)動(dòng)副5的 軸上安裝有位置傳感器，即光電編碼器7。
本發(fā)明機(jī)器人的底座1和在底座1和動(dòng)平臺(tái)11之間均布安裝的具有相 同結(jié)構(gòu)的三根支鏈，支撐和穩(wěn)定著整個(gè)康復(fù)機(jī)器人。這種設(shè)計(jì)不需要患者承 受康復(fù)器的重量。PC計(jì)算機(jī)及康復(fù)軟件通過(guò)多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和驅(qū)動(dòng)器分別 驅(qū)動(dòng)三臺(tái)力矩電機(jī)6運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)所述轉(zhuǎn)動(dòng)副(曲柄)5轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)3RSS支 鏈，使動(dòng)平臺(tái)11運(yùn)動(dòng)，固裝在力/力矩傳感器12上部的腳踏板13帶動(dòng)患者 踝關(guān)節(jié)做康復(fù)運(yùn)動(dòng)。為了減輕整機(jī)的重量，所述機(jī)器人的動(dòng)平臺(tái)11和腳踏 板13使用了鋁合金材料。所述的底座l為鋼質(zhì)材料，以增加其穩(wěn)定性。
所述中心約束桿15的上端通過(guò)球鉸10與動(dòng)平臺(tái)11的下表面中心相連 接；其作用是約束和支撐動(dòng)平臺(tái)11。這一結(jié)構(gòu)使動(dòng)平臺(tái)11具有三個(gè)自由度 轉(zhuǎn)動(dòng)，并且能承受較大的負(fù)載。使用時(shí)，患者可將損傷了踝關(guān)節(jié)的腳踏在固 裝在力矩傳感器12上部的腳踏板13上，機(jī)器人的動(dòng)平臺(tái)11帶動(dòng)患者的踝 關(guān)節(jié)做康復(fù)運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，安裝在動(dòng)平臺(tái)11上的三維力/力矩傳感器12 和安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)副5軸上的位置傳感器(光電編碼器)分別檢測(cè)出力和位置的 參數(shù)，并通過(guò)力/力矩傳感器電纜14和編碼器電纜16將力和位置信號(hào)傳給 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。并由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指令所述力矩電機(jī)6帶動(dòng)(曲柄)5旋轉(zhuǎn)，通 過(guò)下球面副4、連接桿8和上球面副9帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)11運(yùn)動(dòng)。三臺(tái)相同規(guī)格 的力矩電機(jī)6同時(shí)工作，可以使動(dòng)平臺(tái)11實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)康復(fù)需要的三個(gè)自由 度運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明機(jī)器人的控制部分包括計(jì)算機(jī)及其軟件、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和驅(qū)動(dòng) 器。所述的軟件包括與患者實(shí)現(xiàn)交互作用的康復(fù)軟件，康復(fù)軟件包括康復(fù)訓(xùn) 練、信息反饋和功能評(píng)價(jià)三個(gè)子系統(tǒng)。康復(fù)訓(xùn)練子系統(tǒng)對(duì)患者實(shí)現(xiàn)使用方 式、訓(xùn)練模式、康復(fù)動(dòng)作、參數(shù)設(shè)置等的控制；信息反饋?zhàn)酉到y(tǒng)可實(shí)時(shí)反饋訓(xùn)練過(guò)程中的速度、角度、力矩等信息，使患者能夠隨時(shí)了解自己的訓(xùn)練情
況；功能評(píng)價(jià)子系統(tǒng)來(lái)評(píng)價(jià)患者的訓(xùn)練效果，并通過(guò)顯示屏展示給患者，使 其能夠清楚的掌握自己的訓(xùn)練情況。所述的康復(fù)軟件根據(jù)本發(fā)明所述的要求 本領(lǐng)域技術(shù)人員不難具體給出。所述的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡插在PC計(jì)算機(jī)主機(jī) 中，并采用電纜通過(guò)驅(qū)動(dòng)器分別與所述的三臺(tái)力矩電機(jī)相連接。所述控制部 分(包括軟件)本身為現(xiàn)有技術(shù)，實(shí)施例的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡為市售產(chǎn)品，型 號(hào)為PMAC2-PC/104;實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)器也為市售產(chǎn)品，產(chǎn)品為Accelus數(shù)字 型。計(jì)算機(jī)主機(jī)將定位指令經(jīng)由BUS總線傳輸?shù)蕉噍S運(yùn)動(dòng)控制卡，通過(guò) PMAC編程控制所述相應(yīng)的(力矩電機(jī))驅(qū)動(dòng)器，分別驅(qū)動(dòng)所述的三個(gè)力矩 電機(jī)6運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明機(jī)器人所述的顯示部分包括與計(jì)算機(jī)線纜連接的顯示器。除顯示 器外，還可進(jìn)一步采用電纜連接打印機(jī)，以紙介質(zhì)輸出相關(guān)信息。
本發(fā)明機(jī)器人可以使患者的踝關(guān)節(jié)做以下三個(gè)自由度的康復(fù)運(yùn)動(dòng)，或者 說(shuō)具有踝關(guān)節(jié)康復(fù)運(yùn)動(dòng)所需要的三個(gè)自由度踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻/外翻運(yùn)動(dòng)；踝 關(guān)節(jié)的背屈/跖屈運(yùn)動(dòng)；踝關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)。所述踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻/外翻 運(yùn)動(dòng)的范圍為25—30° ;踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈運(yùn)動(dòng)的范圍為+20° —-30° ;踝 關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)的范圍為25° 。本發(fā)明機(jī)器人所述的三個(gè)并聯(lián)的支鏈 可實(shí)現(xiàn)所述各種踝關(guān)節(jié)康復(fù)所需的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明機(jī)器人的工作原理和過(guò)程如下將機(jī)器人放置在地面上，康復(fù)患 者坐在相鄰的椅子上，把病患腳放在所述腳踏板13上。根據(jù)患者的傷病情 況，選擇踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)內(nèi)、外翻背、跖屈角和收展角以及運(yùn)動(dòng)次數(shù)，并 輸入計(jì)算機(jī)。由PC計(jì)算機(jī)及其軟件通過(guò)多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng) 所述三個(gè)力矩電機(jī)6，經(jīng)過(guò)所述三根3RSS支鏈，由動(dòng)平臺(tái)11和腳踏板13 帶動(dòng)患者的腳踝部做相應(yīng)的康復(fù)運(yùn)動(dòng)?；颊呖梢酝ㄟ^(guò)所述與PC計(jì)算機(jī)主機(jī) 連接的顯示屏觀測(cè)到康復(fù)肢體的運(yùn)動(dòng)情況。PC計(jì)算機(jī)及其軟件借助于力/力 矩傳感器12和光電編碼器7將各個(gè)患者每次康復(fù)運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在設(shè)定的 數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，以便醫(yī)生掌握患者踝關(guān)節(jié)的康復(fù)進(jìn)展?fàn)顩r，并為患者制定進(jìn)一步 踝關(guān)節(jié)的康復(fù)規(guī)劃，有利于患者踝關(guān)節(jié)的科學(xué)治療和早日的康復(fù)。本發(fā)明機(jī)器人特別適用于因外傷或心腦血管疾病引起的腳踝關(guān)節(jié)功能失 調(diào)的患者，通過(guò)科學(xué)康復(fù)訓(xùn)練，可以較好地恢復(fù)腳踝關(guān)節(jié)的正常功能。 本發(fā)明機(jī)器人未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，它包括機(jī)械部分、控制部分和顯示部分，所述的機(jī)械部分包括底座和動(dòng)平臺(tái)，在底座和動(dòng)平臺(tái)之間并聯(lián)均布安裝有三根具有相同結(jié)構(gòu)的支鏈和一根具有中心球面副的中心約束桿，每個(gè)支鏈均由轉(zhuǎn)動(dòng)副、下球面副、連桿和上球面副構(gòu)成；所述下球面副通過(guò)螺栓固定在轉(zhuǎn)動(dòng)副的端部，下球面副通過(guò)連接桿與上球面副連成一體，上球面副固連在動(dòng)平臺(tái)的下表面；所述中心約束桿的上端通過(guò)球鉸與動(dòng)平臺(tái)的中心相連接；在底座上均布固裝有三塊相同的彎板，三臺(tái)相同規(guī)格的力矩電機(jī)分別安裝在所述的三塊彎板上，且分別與所述的三根支鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)連接；所述動(dòng)平臺(tái)上安裝有腳踏板，動(dòng)平臺(tái)與腳踏板之間安裝有三維或六維力/力矩傳感器，所述轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸上安裝有位置傳感器；所述的控制部分包括計(jì)算機(jī)及其軟件、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和驅(qū)動(dòng)器；所述的軟件包括與患者實(shí)現(xiàn)交互作用的康復(fù)軟件，康復(fù)軟件包括康復(fù)訓(xùn)練、信息反饋和功能評(píng)價(jià)三個(gè)子系統(tǒng)；所述的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡放在PC計(jì)算機(jī)的插槽中，并采用電纜通過(guò)驅(qū)動(dòng)器分別與所述的三臺(tái)力矩電機(jī)相連接；所述的顯示部分包括與計(jì)算機(jī)線纜連接的顯示器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，其特征在于它可以使患 者的踝關(guān)節(jié)做以下三個(gè)自由度的康復(fù)運(yùn)動(dòng)踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻/外翻運(yùn)動(dòng)；踝關(guān) 節(jié)的背屈/跖屈運(yùn)動(dòng)；踝關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)；所述踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻/外翻運(yùn) 動(dòng)的范圍為25—30° ;踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈運(yùn)動(dòng)的范圍為+20° —-30° ;踝關(guān) 節(jié)的內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)的范圍為25° 。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，其特征在于所述的 多軸運(yùn)動(dòng)控制卡型號(hào)為PMAC2-PC/104;所述的驅(qū)動(dòng)器為Accelus數(shù)字型驅(qū) 動(dòng)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，它包括機(jī)械部分、控制部分和顯示部分，機(jī)械部分包括底座和動(dòng)平臺(tái)，在底座和動(dòng)平臺(tái)之間并聯(lián)均布安裝有三根具有相同結(jié)構(gòu)的支鏈和一根具有中心球面副的中心約束桿，每個(gè)支鏈均由轉(zhuǎn)動(dòng)副、下球面副、連桿和上球面副構(gòu)成；中心約束桿的上端通過(guò)球鉸與動(dòng)平臺(tái)的中心相連接；在底座上均布固裝有三塊相同的彎板，三臺(tái)相同規(guī)格的力矩電機(jī)分別安裝在三塊彎板上，且分別與三根支鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)連接；動(dòng)平臺(tái)上安裝有腳踏板，動(dòng)平臺(tái)與腳踏板之間安裝有三維或六維力/力矩傳感器，轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸上安裝有位置傳感器；控制部分包括計(jì)算機(jī)及其軟件、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和驅(qū)動(dòng)器；軟件包括與患者實(shí)現(xiàn)交互作用的康復(fù)軟件，康復(fù)軟件包括康復(fù)訓(xùn)練、信息反饋和功能評(píng)價(jià)三個(gè)子系統(tǒng)。
文檔編號(hào)B25J9/00GK101292935SQ200810052248
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2008年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月2日
發(fā)明者劉更謙, 宏 岳, 張小俊, 英 曹 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)