[发明专利]一种踝关节康复训练机器人系统

摘要

本发明公开了一种踝关节康复训练机器人系统，其特征在于：包括PUS+S型并联关节训练单元、运动监测与控制单元和腿部支撑单元，其中PUS+S型并联踝关节训练单元，用于提供脚掌的定位和模拟人体踝关节的实际运动对人体受损踝关节进行康复训练；所述PUS+S型并联关节训练单元包括脚掌定位固定软槽、旋转训练平台、三个以上的PUS型运动支链、中间支柱以及训练单元底座；所述PUS型运动支链包括球铰链、连接头、连接杆、虎克铰链和虎克铰链支撑座；本发明提供了一种结构简单，使用方便，运动模拟准确，康复训练强度可调，运动失稳可控制的踝关节康复训练机器人系统。

主权项

1.一种踝关节康复训练机器人系统，其特征在于：包括PUS+S型并联关节训练单元、运动监测与控制单元和腿部支撑单元，其中：所述腿部支撑单元用于患者处于坐姿状态时，对大腿及小腿部分进行支撑；且所述腿部支撑单元与所述PUS+S型并联关节训练单元通过连接板进行固定连接；所述PUS+S型并联关节训练单元，用于提供脚掌的定位和模拟人体踝关节的实际运动对人体受损踝关节进行康复训练；所述PUS+S型并联关节训练单元包括脚掌定位固定软槽、旋转训练平台、三个以上的PUS型运动支链、中间支柱以及训练单元底座；所述训练单元底座上固定有直线运动模组，而所述旋转训练平台上设置有支链安装座，且所述直线运动模组、支链安装座与PUS型运动支链一一对应；所述直线运动模组包括伺服电机、软齿带、滑块、一对张紧轮、直线导轨、传动齿轮一和传动齿轮二；所述传动齿轮一固定在直线导轨下端，传动齿轮二固定在直线导轨上端，所述传动齿轮一通过软齿带与传动齿轮二传动连接，所述伺服电机通过联轴器与传动齿轮一传动连接；所述滑块与直线导轨滑动连接，所述软齿带的一端固定在一对张紧轮的其中一个上，所述软齿带的另一端固定在一对张紧轮的另一个上；而所述张紧轮固定在滑块上；滑块上还固定有导向轮，且所述导向轮与软齿带传动连接；所述PUS型运动支链包括球铰链、连接头、连接杆、虎克铰链和虎克铰链支撑座；所述虎克铰链支撑座与滑块相连，所述虎克铰链的一端固定在虎克铰链支撑座上，而所述虎克铰链的另一端与连接杆的一端相连；所述连接杆的另一端通过连接头与球铰链相连；所述球铰链安装在支链安装座上，且所述球铰链与支链安装座之间设置有楔块；所述中间支柱的一端固定安装在所述训练单元底座上，另一端通过复合球铰链与旋转训练平台底面铰链连接，而所述脚掌定位固定软槽固定在旋转训练平台的顶面；所述运动监测与控制单元包括运动监测与控制平台、伺服电机控制器和传感器，所述传感器包括力传感器、加速度传感器和位移传感器；所述力传感器用于测量旋转训练平台运动时脚底所受到的压力，并将该压力推送给运动监测与控制平台；所述加速度传感器用于测量旋转训练平台运动时的加速度，并将该加速度推送给运动监测与控制平台；所述位移传感器用于测量滑块移动时的位移，并将该位移推送给运动监测与控制平台；所述运动监测与控制平台用于根据接收到的压力、加速度以及位移形成各个伺服电机的控制信号，并将各个伺服电机的控制信号推送给伺服电机控制器；所述伺服电机控制器用于通过各个伺服电机的控制信号控制对应伺服电机的工作状态；具有模拟背伸/跖展、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动形式的功能；处于脚部左方的支链为支链一，处于脚部前方的支链为支链二，处于脚部右方的支链为支链三，且同一支链上组件编号与该支链相同；当模拟背伸/跖展运动时，伺服电机一和伺服电机三运动状态相同，驱动滑块向上/下滑动，通过虎克铰链将滑动产生的力传递给连接杆和连接头，连接头带动球铰链转动，产生两个斜向上/下的力，每个力可分解为驱动转动的力和向上/下支撑/牵引的力；伺服电机二与其他两个伺服电机同时工作，驱动滑块向下/上滑动，通过虎克铰链二将滑动产生的力传递给连接杆二和连接头二，连接头二带动球铰链二转动，产生一个斜向下/上的力，该力可分解为向下/上牵引/支撑的力和驱动转动的力，上下三力和驱动转动的力同时作用，使得脚部在旋转的过程中实现背伸/跖展；当模拟内翻/外翻运动时，伺服电机一工作，驱动滑块向下/上滑动，通过虎克铰链一将滑动产生的力传递给连接杆一和连接头一，连接头一带动球铰链一转动，产生一个斜向下/上的力，该力可分解为向下/上牵引/支撑的力和驱动转动的力；伺服电机三与伺服电机一同时工作，驱动滑块向上/下滑动，通过虎克铰链三将滑动产生的力传递给连接杆三和连接头三，连接头三带动球铰链三转动，产生一个斜向上/下的力，该力可分解为向上/下支撑/牵引的力和驱动转动的力；伺服电机二暂时不工作，脚的左/右部受向下/上的力，脚的右/左部受向上/下的力，同时受到驱动转动的力，使得脚部在旋转过程中实现内翻/外翻；当模拟内旋运动时，伺服电机三、伺服电机二、伺服电机一依次工作，伺服电机三驱动滑块向上滑动，通过虎克铰链三将滑动产生的力传递给连接杆三和连接头三，连接头三带动球铰链三转动，产生一个斜向上的力，该力可分解为向上支撑的力和驱动转动的力；伺服电机二驱动滑块向上滑动，通过虎克铰链二将滑动产生的力传递给连接杆二和连接头二，连接头二带动球铰链二转动，产生一个斜向上的力，该力可分解为向上支撑的力和驱动转动的力；伺服电机一驱动滑块向下滑动，通过虎克铰链一将滑动产生的力传递给连接杆一和连接头一，连接头一带动球铰链一转动，产生一个斜向下的力，该力可分解为向下牵引的力和驱动转动的力；伺服电机一驱动滑块向上滑动，通过虎克铰链一将滑动产生的力传递给连接杆一和连接头一，连接头一带动球铰链一转动，产生一个斜向上的力，该力可分解为向上支撑的力和驱动转动的力；伺服电机三驱动滑块向上滑动，通过虎克铰链三将滑动产生的力传递给连接杆三和连接头三，连接头三带动球铰链三转动，产生一个斜向上的力，该力可分解为向上支撑的力和驱动转动的力；伺服电机二驱动滑块向下滑动，通过虎克铰链二将滑动产生的力传递给连接杆二和连接头二，连接头二带动球铰链二转动，产生一个斜向下的力，该力可分解为向下牵引的力和驱动转动的力；伺服电机二驱动滑块向上滑动，通过虎克铰链二将滑动产生的力传递给连接杆二和连接头二，连接头二带动球铰链二转动，产生一个斜向上的力，该力可分解为向上支撑的力和驱动转动的力；伺服电机一驱动滑块向上滑动，通过虎克铰链一将滑动产生的力传递给连接杆一和连接头一，连接头一带动球铰链一转动，产生一个斜向上的力，该力可分解为向上支撑的力和驱动转动的力；伺服电机三驱动滑块向下滑动，通过虎克铰链三将滑动产生的力传递给连接杆三和连接头三，连接头三带动球铰链三转动，产生一个斜向下的力，该力可分解为向下牵引的力和驱动转动的力；因此，首先脚的右方、前方受到向上的力，左方受到向下的力，接着脚的左方、右方受到向上的力，前方受到向下的力，最后脚的前方、左方受到向上的力，右方受到向下的力，同时受到驱动转动的力，使得脚部在旋转过程中实现内旋；当模拟外旋运动时，伺服电机一、伺服电机二、伺服电机三依次工作，伺服电机一驱动滑块向上滑动，通过虎克铰链一将滑动产生的力传递给连接杆一和连接头一，连接头一带动球铰链一转动，产生一个斜向上的力，该力可分解为向上支撑的力和驱动转动的力；伺服电机二驱动滑块向上滑动，通过虎克铰链二将滑动产生的力传递给连接杆二和连接头二，连接头二带动球铰链二转动，产生一个斜向上的力，该力可分解为向上支撑的力和驱动转动的力；伺服电机三驱动滑块向下滑动，通过虎克铰链三将滑动产生的力传递给连接杆三和连接头三，连接头三带动球铰链三转动，产生一个斜向下的力，该力可分解为向下牵引的力和驱动转动的力；伺服电机一驱动滑块向上滑动，通过虎克铰链一将滑动产生的力传递给连接杆一和连接头一，连接头一带动球铰链一转动，产生一个斜向上的力，该力可分解为向上支撑的力和驱动转动的力；伺服电机三驱动滑块向上滑动，通过虎克铰链三将滑动产生的力传递给连接杆三和连接头三，连接头三带动球铰链三转动，产生一个斜向上的力，该力可分解为向上支撑的力和驱动转动的力；伺服电机二驱动滑块向下滑动，通过虎克铰链二将滑动产生的力传递给连接杆二和连接头二，连接头二带动球铰链二转动，产生一个斜向下的力，该力可分解为向下牵引的力和驱动转动的力；伺服电机二驱动滑块向上滑动，通过虎克铰链二将滑动产生的力传递给连接杆二和连接头二，连接头二带动球铰链二转动，产生一个斜向上的力，该力可分解为向上支撑的力和驱动转动的力；伺服电机三驱动滑块向上滑动，通过虎克铰链三将滑动产生的力传递给连接杆三和连接头三，连接头三带动球铰链三转动，产生一个斜向上的力，该力可分解为向上支撑的力和驱动转动的力；伺服电机一驱动滑块向下滑动，通过虎克铰链一将滑动产生的力传递给连接杆一和连接头一，连接头一带动球铰链一转动，产生一个斜向下的力，该力可分解为向下牵引的力和驱动转动的力；因此，首先脚的左方、前方受到向上的力，右方受到向下的力，接着脚的左方、右方受到向上的力，前方受到向下的力，最后脚的前方、右方受到向上的力，左方受到向下的力，同时受到驱动转动的力，使得脚部在旋转过程中实现外旋。