本发明涉及一种踝关节康复机器人结构及其使用方法。
背景技术：
现有研究和开发的脚踝康复机器人，采用并联机构多于串联机构，这是由于并联机构高刚度的特性及脚踝关节的康复特性需求，由于脚踝康复机器人动平台需要有较大的运动空间，所以脚踝康复机器人动平台与驱动器的连接形式多采用虎克铰连接。但是虎克铰制作和装配困难，鉴于此本发明提出以球铰链连接康复机器人运动平台和驱动器，并且以鱼眼副连接驱动器和机器人静平台的设计。康复机器人的最大运动空间不仅和所选的球副运动空间有关，而且和各零部件尺寸及安装位置都存在关联，往往脚踝康复机器人机构的评价指标是有效运动空间，其直接影响康复者的脚踝康复运动角度，球副的运动空间及脚踝康复机器人各零部件的尺寸都直接或间接影响着脚踝康复机器人的机构优劣，因为球副在工程领域及实际应用较少，这就造成不仅球副种类不多且空间角度有限；脚踝康复机构的复杂程度并非为最终设计目的，但由于脚踝康复机器人的康复运动方式，往往设计为较为复杂的并联机构且驱动件较多。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种踝关节康复机器人结构及其使用方法，该踝关节康复机器人在满足脚踝关节康复效果的情况下实现了机构上的简化，将复杂的并联机构简化为两杆可实现的运动空间。
本发明的技术方案在于：一种踝关节康复机器人结构，包括支撑底座，所述支撑底座的两侧部分别设置有支撑杆，一卧式设置的凵型连接件的两端分别与支撑杆的上端转动连接，所述凵型连接件的中部设置有上端与其转动连接的竖杆并安装有第一编码器，所述竖杆的下端与一动平台的后端固定连接，所述动平台的前部两侧分别设置有驱动动平台摆动的驱动件，所述凵型连接件与支撑杆转动连接的其中一端设置有第二编码器。
进一步地，所述驱动件包括与支撑底座相铰接且位于支撑杆前侧的鱼眼关节，所述鱼眼关节的上端固定有电动推杆，所述电动推杆的伸缩杆上端设置有球头关节，所述球头关节的另一端设置有连杆，所述连杆的下端与动平台侧部固定连接。
进一步地，所述鱼眼关节的上端经固定板与电动推杆的座壳固定连接，所述连杆呈倒l型且上端与球头关节的上端固定连接。
进一步地，所述凵型连接件包括与支撑杆的上端转动连接的横杆，位于两横杆的后端之间经固定有纵杆，所述竖杆的上端与纵杆的中部转动连接。
进一步地，位于一侧的支撑杆上端经阶梯轴与对应横杆转动连接，且编码器与阶梯轴相连接并固定于该侧支撑杆上；位于另一侧的支撑杆上端经滑动轴承与对应的横杆转动连接；所述横杆的后端分别经直角连接件与纵杆相连接。
进一步地，所述竖杆的上端经阶梯轴与纵杆转动连接，且编码器与阶梯轴相连接并固定于纵杆上。
进一步地，所述动平台包括下平台及上平台，所述上平台及下平台前部及后部通过贯穿下平台且与下平台螺纹连接的螺杆固定连接，所述上平台与螺杆可拆连接，所述上平台上表面还固定连接有前后调节板，所述前后调节板包括弧形立板及固定于弧形立板底部的安装板，所述安装板上具有沿上平台长度方向布设的槽孔，所述前后调节板与上平台经贯穿槽孔的导向定位销进行前后导向，前后调节板与上平台经贯穿槽孔的固定螺栓固定连接。
进一步地，所述螺杆上端具有法兰盘，所述螺杆的上部套有螺杆固定座，所述螺杆固定座中部具有穿过螺杆的开孔，所述螺杆固定座开孔小于法兰盘直径，所述螺杆固定座两侧与上平台底部经锁紧螺栓固定连接
进一步地，所述上平台下部固定连接有插入下平台的导向定位销，所述安装板具有一对，所述上平台上表面固定有伸入槽孔内的导柱；所述弧形立板横截面为弧形且朝向前侧。
进一步地，所述支撑杆的下端设置有与支撑底座相连接的加强固定件；所述动平台上预留脚部绑带固定位置。
一种应用于踝关节康复机器人结构的使用方法，步骤如下：
进行康复训练时，康复者需将脚绑于动台上方，
当两推杆运动方式相同时，动平台做绕着x轴方向的跖背屈康复运动；
当两推杆做相反方向运动时候，动平台模块可实现绕着y轴的内外翻运动；
当两推杆运动方式不一致时，动平台在空间中绕着固定点运动。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：该踝关节康复机器人使用两根推杆控制动平台位置，相对于其他并联脚踝康复机器人，在满足脚踝关节康复效果的情况下实现了机构上的简化，并在简化机构的情况下，将复杂的并联机构简化为两杆可实现的运动空间，在减少成本及控制装配时间上有较大的优势，对于后期康复机器人工程应用具有较大意义。
相对于其他较为复杂并联机构，该踝关节康复机器人采用较少的推杆驱动器，相对应也带来控制方面的简化，仅控制两根杆的运动状态就可以保证控制动平台。产品在最初设计基础上经过多次参数优化，机构位于初始位置时，可保证电动推杆当前位置约为最大行程的一半，而球副处于最大运动范围空间的中心，保证机构运动空间的最大化。动平台结构中，针对不同康复者的脚踝尺寸，动平台具有调节初始脚踝空间位置功能，并相应螺栓进行锁紧固定。保证康复者的脚踝中心位置与动平台绕空间某点旋转位置相同，有效避免在康复过程中发生二次脚踝损伤情况的发生。
该踝关节康复机器人经三维建模软件模型模拟验证，其运动空间包括了正常人脚踝的运动空间，能够满足康复患者的康复要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的前视图；
图4为本发明的球副结构示意图；
图5为本发明的鱼眼关节示意图；
图6为本发明的动平台的结构示意图；
图7为本发明的动平台的前视图；
图8为本发明的动平台的侧视图；
图9为本发明的螺杆固定座与螺杆配合结构示意图；
图中：1-支撑底座2-支撑杆3-加强固定件4-凵型连接件5-横杆6-横杆7-直角固定件8-纵杆9-竖杆10-动平台110-下平台120-下平台121-导柱130-螺杆131-螺杆固定座132-锁紧螺栓133-法兰盘134-开孔140-前后调节板141-弧形立板142-安装板143-槽孔144-固定螺栓150-导向定位销11-鱼眼关节支撑座12-鱼眼关节13-电动推杆15-球头关节17-连杆18-第一编码器19-第二编码器。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1至图8
一种踝关节康复机器人结构可以简单描述为rr/2sps结构中rr表示支撑分别为旋转副支撑；2表示机构使用两根电动推杆，s代表电动推杆下侧使用球副于定平台连接，其前后方向转动空间不需要过大，所以使用鱼眼副代替球副也可保证机构运动，p表示推杆，s为电动推杆与动平台连杆连接所使用的球副。
具体的一种踝关节康复机器人结构，包括支撑底座1，所述支撑底座的两侧部分别经螺栓紧固连接有竖向设置的支撑杆2，一卧式设置的凵型连接件4的两端分别与支撑杆的上端转动连接，所述凵型连接件的中部设置有上端与其转动连接的竖杆9并安装有第一编码器18，所述竖杆的下端与一动平台10的后端固定连接，所述动平台的前部两侧分别设置有驱动动平台摆动的驱动件，所述凵型连接件与支撑杆转动连接的其中一端设置有第二编码器19，通过第一编码器18和第二编码器19的数据读取，可得知动平台的具体空间姿态角。
本实施例中，上述支撑底座的尺寸是保证零部件安装需要并考虑其稳定性，动平台根据一般成人脚掌尺寸的参数来确认长度及宽度。
本实施例中，所述驱动件包括与支撑底座相铰接且位于支撑杆前侧的鱼眼关节12，所述鱼眼关节的下端设置有与支撑底座相连接的鱼眼关节支撑座，鱼眼关节支撑座11与支撑底座之间通过螺栓固定。鱼眼关节的上端经固定板与电动推杆13的座壳固定连接，所述电动推杆的伸缩杆上端设置有球头关节15，所述球头关节的另一端设置有连杆，所述连杆呈倒l型且上端与球头关节的上端固定连接，连杆的下端与动平台侧部使用螺柱固定连接。
本实施例中，所述凵型连接件包括分别与支撑杆的上端转动连接的横杆5、6，位于两横杆的后端之间经固定有纵杆8，所述横杆的后端分别经直角连接件7与纵杆通过螺栓固定连接，所述竖杆的上端与纵杆的中部转动连接。
本实施例中，为了做到结构简单且节省成本，位于一侧的支撑杆上端经阶梯轴与对应横杆转动连接，且第二编码器与阶梯轴相连接并固定于该侧支撑杆上，从而通过阶梯轴可将位置信息传递到第二编码器19中；位于另一侧（不带编码器侧）的支撑杆上端经石墨自润滑铜套（滑动轴承形式）与对应的横杆转动连接。
本实施例中，所述竖杆的上端经阶梯轴与纵杆转动连接，且第一编码器与阶梯轴相连接并固定于纵杆上，以便阶梯轴将动平台空间姿态角度信息传递到第一编码器18中。
本实施例中，考虑到支撑杆厚度较小长度较长等原因，所述支撑杆的下端设置有与支撑底座相连接的加强固定件3，增加整个机构的稳定性。
本实施例中，所述动包括下平台110及上平台120，所述上平台及下平台前部及后部通过贯穿下平台且与下平台螺纹连接的螺杆130固定连接，所述上平台110与螺杆130可拆连接，所述上平台110上表面还固定连接有前后调节板140，所述前后调节板140包括弧形立板141及固定于弧形立板底部的安装板142，所述安装板142上具有沿上平台长度方向布设的槽孔143，所述前后调节板与上平台经贯穿槽孔的固定螺栓144固定连接。
本实施例中，所述安装板142具有一对，所述上平台120上表面固定有伸入槽孔内的导柱121，导柱121能保证前后调节板140在调节过程中保持弧形立板141正对向前进行前后导向。
本实施例中，所述下平台110及上平台120平行设置，上平台及下平台前部及后部各设置有一个螺杆130，所述螺杆130上端具有法兰盘133，所述螺杆130的上部套有螺杆固定座131，所述螺杆固定座中部具有穿过螺杆的开孔134，所述螺杆固定座开孔小于法兰盘133直径，所述螺杆固定座两侧与上平台底部经锁紧螺栓132固定连接。
利用锁紧螺栓132实现螺杆固定座与上平台120的固定连接，而螺杆固定座利用卡住螺杆上端的法兰盘133实现螺杆的固定。
而螺杆下端与下平台110螺纹配合从而实现上平台与下平台的连接，所述的螺杆固定座经锁紧螺栓132与上平台固定连接，当需要调节上平台与下平台之间的高度时将锁紧螺栓132卸除或拧松使，使螺杆的法兰盘与上平台螺杆固定座131脱离上平台，之后同向同步旋转两个螺杆130，再将螺杆固定座131与上平台固定连接从而实现上平台与下平台的固定。
为了能够保证，上平台与下平台的平行，所述上平台下部固定连接有插入下平台的导向定位销150，所述导向定位销150具有多个，导向定位销150与上平台及下平台平行，所述弧形立板横截面为弧形且朝向前侧。
本实施例中，为了更好的完成脚部固定，所述动平台上预留脚部绑带固定位置。
该踝关节康复机器人运行过程如下：驱动件为两电动推杆，其通过球头关节15与连杆17，通过电动推杆上的驱动器直线运动，电动推杆驱动动平台10在康复空间内运动，动平台10前后摆动时，rr旋转结构中，只有横杆5、6相对于支撑杆2有旋转运动，而纵杆8与竖杆9之间没有相对旋转运动，此时横杆5的旋转角度通过阶梯轴传递到编码器19中。而当动平台10左右摆动时，rr旋转结构中，只有纵杆8与竖杆9之间有相对旋转运动，横杆5、6与支撑杆没有旋转运动，此时纵杆8的旋转角度通过阶梯轴传递到编码器18中。当动平台在空间中做康复运动时，其姿态角信息将转化成旋转角度传递到第一编码器18、第二编码器19中，以便进行下一步的康复训练。
该踝关节康复机器人空间左右结构不同，但是通过参数调整，做到了左右两侧机构对称，且考虑球副在运动空间的几何中心位置，通过调节连杆17的参数，成功得以实现。
上述踝关节康复机器人结构的使用方法，步骤如下：
依靠对对称分布的电动推杆的控制，进行康复训练时，康复者需将脚绑于动台上方，通过动平台带动脚部进行康复训练；
当两推杆运动方式相同时，动平台做绕着x轴（竖向）方向的跖背屈康复运动；
当两推杆做相反方向运动时候，动平台模块可实现绕着y轴（横向）的内外翻运动；
当两推杆运动方式不一致时，动平台在空间中绕着固定点运动。
在使动平台做相应的运动时，rr旋转结构不仅起到支撑动平台结构，而且可通过传感器（编码器）实时采集动平台在空间中的方位并监测其运动空间，有效保护踝关节，避免超出康复者的运动空间而造成二次受伤；在电动推杆不工作情况下，可以调节动平台的上下位置及前后调节板，使得脚踝旋转中心和动平台几何旋转中心重合，避免了在康复过程中因两中心重合而达不到康复效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的踝关节康复机器人结构并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
技术特征：
1.一种踝关节康复机器人结构，包括支撑底座，其特征在于，所述支撑底座的两侧部分别设置有支撑杆，一卧式设置的凵型连接件的两端分别与支撑杆的上端转动连接，所述凵型连接件的中部设置有上端与其转动连接的竖杆并安装有第一编码器，所述竖杆的下端与一动平台的后端固定连接，所述动平台的前部两侧分别设置有驱动动平台摆动的驱动件，所述凵型连接件与支撑杆转动连接的其中一端设置有第二编码器。
2.根据权利要求1所述的一种踝关节康复机器人结构，其特征在于，所述驱动件包括与支撑底座相铰接且位于支撑杆前侧的鱼眼关节，所述鱼眼关节的上端固定有电动推杆，所述电动推杆的伸缩杆上端设置有球头关节，所述球头关节的另一端设置有连杆，所述连杆的下端与动平台侧部固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种踝关节康复机器人结构，其特征在于，所述鱼眼关节的上端经固定板与电动推杆的座壳固定连接，所述连杆呈倒l型且上端与球头关节的上端固定连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种踝关节康复机器人结构，其特征在于，所述凵型连接件包括与支撑杆的上端转动连接的横杆，位于两横杆的后端之间经固定有纵杆，所述竖杆的上端与纵杆的中部转动连接。
5.根据权利要求4所述的一种踝关节康复机器人结构，其特征在于，位于一侧的支撑杆上端经阶梯轴与对应横杆转动连接，且编码器与阶梯轴相连接并固定于该侧支撑杆上；位于另一侧的支撑杆上端经滑动轴承与对应的横杆转动连接；所述横杆的后端分别经直角连接件与纵杆相连接；所述竖杆的上端经阶梯轴与纵杆转动连接，且编码器与阶梯轴相连接并固定于纵杆上。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的一种踝关节康复机器人结构，其特征在于，所述动平台包括下平台及上平台，所述上平台及下平台前部及后部通过贯穿下平台且与下平台螺纹连接的螺杆固定连接，所述上平台与螺杆可拆连接，所述上平台上表面还固定连接有前后调节板，所述前后调节板包括弧形立板及固定于弧形立板底部的安装板，所述安装板上具有沿上平台长度方向布设的槽孔，所述前后调节板与上平台经贯穿槽孔的导向定位销进行前后导向，前后调节板与上平台经贯穿槽孔的固定螺栓固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种踝关节康复机器人结构，其特征在于，所述螺杆上端具有法兰盘，所述螺杆的上部套有螺杆固定座，所述螺杆固定座中部具有穿过螺杆的开孔，所述螺杆固定座开孔小于法兰盘直径，所述螺杆固定座两侧与上平台底部经锁紧螺栓固定连接。
8.根据权利要求6所述的一种踝关节康复机器人结构，其特征在于，所述上平台下部固定连接有插入下平台的导向定位销，所述安装板具有一对，所述上平台上表面固定有伸入槽孔内的导柱；所述弧形立板横截面为弧形且朝向前侧。
9.根据权利要求1所述的一种踝关节康复机器人结构，其特征在于，所述支撑杆的下端设置有与支撑底座相连接的加强固定件；所述动平台上预留脚部绑带固定位置。
10.一种应用于权利要求2所述的一种踝关节康复机器人结构的使用方法，其特征在于，步骤如下：
进行康复训练时，康复者需将脚绑于动台上方，
当两推杆运动方式相同时，动平台做绕着x轴方向的跖背屈康复运动；
当两推杆做相反方向运动时候，动平台模块可实现绕着y轴的内外翻运动；
当两推杆运动方式不一致时，动平台在空间中绕着固定点运动。
技术总结
本发明涉及一种踝关节康复机器人结构及其使用方法，包括支撑底座，所述支撑底座的两侧部分别设置有支撑杆，一卧式设置的凵型连接件的两端分别与支撑杆的上端转动连接，所述凵型连接件的中部设置有上端与其转动连接的竖杆并安装有第一编码器，所述竖杆的下端与一动平台的后端固定连接，所述动平台的前部两侧分别设置有驱动动平台摆动的驱动件，所述凵型连接件与支撑杆转动连接的其中一端设置有第二编码器。该踝关节康复机器人在满足脚踝关节康复效果的情况下实现了机构上的简化，将复杂的并联机构简化为两杆可实现的运动空间。
技术研发人员：卢宗兴;吴广进;姚立纲;游圣贤;李万鑫
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：.12.13
技术公布日：.02.28
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