專利名稱：氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療器械，具體地說是一種氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人。
背景技術(shù)：
近年來，越來越多的人因疾病、交通事故和意外等導(dǎo)致關(guān)節(jié)和肌肉損傷，而腳踝關(guān)節(jié)損傷又是其中最常見的損傷之一。踝關(guān)節(jié)是人體骨骼中最復(fù)雜的骨骼結(jié)構(gòu)，它具有背屈/跖屈、內(nèi)翻/外翻和內(nèi)收/外展運動。在康復(fù)治療時，背屈/跖屈和內(nèi)翻/外翻運動對腳踝的康復(fù)起主要作用。目前，一般的腳踝康復(fù)機器人大多采用剛性驅(qū)動機構(gòu)作為驅(qū)動動力，如電機和直線馬達等，這種采用剛性驅(qū)動器的機器人容易導(dǎo)致病人在康復(fù)過程中感覺不適甚至疼痛，不利于病人的康復(fù)；同時，雖然一般的腳踝康復(fù)機器人大多采用3自由度以上的多自由度結(jié)構(gòu)，能幫助踝關(guān)節(jié)進行背屈/跖屈、內(nèi)翻/外翻和內(nèi)收/外展運動，但由于自由度較多，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述背景技術(shù)存在的不足，提出一種結(jié)構(gòu)簡單且成本低的氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人，包括帶有腳套的動平臺、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和支架，所述動平臺通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)安裝在所述支架上，所述驅(qū)動機構(gòu)為氣動肌肉，所述氣動肌肉安裝在所述支架上，所述氣動肌肉的活動端通過柔索與所述動平臺相連。通過將傳統(tǒng)機器人的剛性驅(qū)動器替換為氣動肌肉，再配合柔索傳遞動力，解決了病人在康復(fù)過程中感覺不適甚至疼痛的問題，有利于病人的康復(fù)，且氣動肌肉 重量輕，使用方便。在上述方案中，所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)和支架之間設(shè)有柔索導(dǎo)向定位機構(gòu)，所述柔索導(dǎo)向定位機構(gòu)包括帶導(dǎo)向定位孔的定平臺和支撐桿，所述定平臺通過所述支撐桿固定安裝在所述支架上，所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)上端與所述動平臺相連，所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)下端安裝在所述支撐桿或定平臺上。加設(shè)的柔索導(dǎo)向定位機構(gòu)能有效地控制所述動平臺的運動范圍，提高了本機器人的可控性。在上述方案中,所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)包括軸承支座、轉(zhuǎn)動件和轉(zhuǎn)動固定件,所述轉(zhuǎn)動固定件下端插裝在所述支撐桿上，所述轉(zhuǎn)動固定件上端通過第一單列滾針軸承活動安裝在所述轉(zhuǎn)動件內(nèi)，所述轉(zhuǎn)動件兩端分別設(shè)有第二單列滾針軸承，所述軸承支座分別通過所述第二單列滾針軸承將所述轉(zhuǎn)動件兩端壓裝在所述動平臺下表面。當然，也可采用其他結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動機構(gòu)。在上述方案中，所述支架上對應(yīng)所述導(dǎo)向定位孔的位置分別設(shè)有定滑輪，所述柔索一端與所述氣動肌肉的活動端相連，所述柔索另一端繞過所述定滑輪后再穿過所述導(dǎo)向定位孔，最后與所述動平臺相連。加設(shè)的定滑輪能有效地減小所述柔索與定平臺之間的摩擦，提高了柔索的使用壽命。在上述方案中，所述導(dǎo)向定位孔的數(shù)量至少為3，所述氣動肌肉和柔索的數(shù)量分別與導(dǎo)向定位孔的數(shù)量相對應(yīng)。在上述方案中，所述導(dǎo)向定位孔的數(shù)量為3，所述3個導(dǎo)向定位孔的中心所圍成的形狀為等腰三角形，所述等腰三角形的中心到頂點的連線a的長度為3 7cm，所述等腰三角形的中心到底邊一個端點的連線b的長度為rScm，所述a和b的夾角α為9(TllO°，所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心位于所述等腰三角形的中心處。這樣的設(shè)計進一步地提高了本機器人的可控性。在上述方案中，所述柔索與動平臺下表面的連接點也對應(yīng)為3個，所述3個連接點所圍成的形狀也為等腰三角形，所述動平臺下表面3個連接點所圍成的等腰三角形的中心到頂點的連線A的長度為5 9cm，所述動平臺下表面3個連接點所圍成的等腰三角形的中心到底邊一個端點的連線B的 長度為6 10cm，所述A和B的夾角β為12(Tl40°，所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心位于所述動平臺下表面3個連接點所圍成的等腰三角形的中心處，所述動平臺的中心也位于所述動平臺下表面3個連接點所圍成的等腰三角形的中心處。這樣的設(shè)計進一步地提高了本機器人的可控性。在上述方案中，所述動平臺下表面與所述定平臺上表面之間的距離H為rilcm。在上述方案中，所述氣動肌肉水平安裝在所述支架上。本發(fā)明一方面，通過將傳統(tǒng)機器人的剛性驅(qū)動器替換為氣動肌肉，再配合柔索傳遞動力，解決了病人在康復(fù)過程中感覺不適甚至疼痛的問題，有利于病人的康復(fù)，且氣動肌肉重量輕，使用方便；另一方面，加設(shè)的柔索導(dǎo)向定位機構(gòu)能有效地控制所述動平臺的運動范圍，提高了本機器人的可控性；再一方面，加設(shè)的定滑輪能有效地減小所述柔索與定平臺之間的摩擦，提高了柔索的使用壽命；最后，通過優(yōu)化設(shè)計導(dǎo)向定位孔和柔索與動平臺下表面的連接點的位置以及動平臺和定平臺之間的位置關(guān)系，進一步地提高了本機器人的可控性。綜上所述，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，成本低，使用方便且可控性好等特點。以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1去掉腳套后的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1去掉腳套后的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3去掉動平臺后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明中轉(zhuǎn)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明中動平臺與定平臺的連接關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明中導(dǎo)向定位孔的位置布置結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明中柔索與動平臺連接點的位置布置結(jié)構(gòu)示意圖。在圖中，腳套la，動平臺I，轉(zhuǎn)動機構(gòu)2，軸承支座2a，轉(zhuǎn)動件2b，轉(zhuǎn)動固定件2c，第一單列滾針軸承2d，第二單列滾針軸承2e，驅(qū)動機構(gòu)3，支架4，柔索5，柔索導(dǎo)向定位機構(gòu)6，定平臺6a，支撐桿6b，導(dǎo)向定位孔6c，定滑輪7。
具體實施例方式如圖1所示的一種氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人，包括帶有腳套Ia的動平臺1、轉(zhuǎn)動機構(gòu)2、驅(qū)動機構(gòu)3和支架4,所述動平臺I通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)2活動安裝在所述支架4上，所述驅(qū)動機構(gòu)3為氣動肌肉，所述氣動肌肉安裝在所述支架4上，所述氣動肌肉的活動端通過柔索5與所述動平臺I相連。通過將傳統(tǒng)機器人的剛性驅(qū)動器替換為氣動肌肉，再配合柔索5傳遞動力，解決了病人在康復(fù)過程中感覺不適甚至疼痛的問題，有利于病人的康復(fù)，且氣動肌肉重量輕，使用方便。所述氣動肌肉水平安裝在所述支架4上。上述轉(zhuǎn)動機構(gòu)2和支架4之間設(shè)有柔索導(dǎo)向定位機構(gòu)6,所述柔索導(dǎo)向定位機構(gòu)6包括帶導(dǎo)向定位孔6c的定平臺6a和支撐桿6b,所述定平臺6a通過所述支撐桿6b固定安裝在所述支架4上,所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)2上端與所述動平臺I相連,所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)2下端安裝在所述支撐桿6b或定平臺6a上。加設(shè)的柔索導(dǎo)向定位機構(gòu)6能有效地控制所述動平臺I的運動范圍，提高了本機器人的可控性。上述轉(zhuǎn)動機構(gòu)2包括軸承支座2a、轉(zhuǎn)動件2b和轉(zhuǎn)動固定件2c，所述轉(zhuǎn)動固定件2c下端插裝在所述支撐桿6b上，所述轉(zhuǎn)動固定件2c上端通過第一單列滾針軸承2d活動安裝在所述轉(zhuǎn)動件2b內(nèi)，所述轉(zhuǎn)動件2b兩端分別設(shè)有第二單列滾針軸承2e，所述軸承支座2a分別通過所述第二單列滾針軸承2e將所述轉(zhuǎn)動件2b兩端壓裝在所述動平臺I下表面。當然，也可采用其他結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動機構(gòu)。上述支架4上對應(yīng)所述導(dǎo)向定位孔6c的位置分別設(shè)有定滑輪7，所述柔索5 —端與所述氣動肌肉的活動端相連，所述柔索5另一端繞過所述定滑輪7后再穿過所述導(dǎo)向定位孔6c，最后與所述動平臺I相連。加設(shè)的定滑輪7能有效地減小所述柔索5與定平臺6a之間的摩擦，提高了柔索5的使用壽命。

上述導(dǎo)向定位孔6c的數(shù)量至少為3，所述氣動肌肉和柔索5的數(shù)量對應(yīng)也至少分別為3。所述導(dǎo)向定位孔6c的數(shù)量為3，所述3個導(dǎo)向定位孔6c的中心所圍成的形狀為等腰三角形，所述等腰三角形的中心到頂點的連線a的長度為3 7cm，所述等腰三角形的中心到底邊一個端點的連線b的長度為rScm，所述a和b的夾角α為9(TllO°，所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)2的轉(zhuǎn)動中心位于所述等腰三角形的中心處。這樣的設(shè)計進一步地提高了本機器人的可控性。所述柔索5與動平臺I下表面的連接點也對應(yīng)為3個，所述3個連接點所圍成的形狀也為等腰三角形，所述動平臺I下表面3個連接點所圍成的等腰三角形的中心到頂點的連線A的長度為5 9cm，所述動平臺I下表面3個連接點所圍成的等腰三角形的中心到底邊一個端點的連線B的長度為6 10cm，所述A和B的夾角β為12(Tl40°，所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)2的轉(zhuǎn)動中心位于所述動平臺I下表面3個連接點所圍成的等腰三角形的中心處，所述動平臺I的中心也位于所述動平臺I下表面3個連接點所圍成的等腰三角形的中心處。這樣的設(shè)計進一步地提高了本機器人的可控性。所述動平臺I下表面與所述定平臺6a上表面之間的距離H為疒Ilcm。本發(fā)明通過三個氣動肌肉驅(qū)動兩自由度的動平臺1，動平臺I與支撐桿6b之間采用兩自由度的轉(zhuǎn)動機構(gòu)2活動連接，氣動肌肉與動平臺I通過柔索5相連，同時柔索5穿過定平臺6a上的導(dǎo)向定位孔6c，氣動肌肉與動平臺I的連接點組成的平面經(jīng)過轉(zhuǎn)動機構(gòu)2的轉(zhuǎn)動中心，通過以上連接實現(xiàn)了動平臺I兩個自由度的旋轉(zhuǎn)，能夠滿足腳踝康復(fù)的需要。具體使用時，先給氣動肌肉充入一定氣壓的空氣，使氣動肌肉的初始狀態(tài)在收縮狀態(tài)，通過設(shè)計柔索5與動平臺1、定平臺6a連接點的位置并考慮氣動肌肉的運動范圍，使機器人的工作空間能夠滿足腳踝的全范圍運動。實際生產(chǎn)時，還可以在所述支架4和/或氣動肌肉上加設(shè)用于分別檢測氣動肌肉伸縮量和驅(qū)動力的位移傳感器和力傳感器，這樣可以通過檢測到的氣動肌肉伸縮量和驅(qū)動力來控制氣動肌肉的輸出位移和力，實現(xiàn)腳踝康復(fù)的力/位控制，使被動康復(fù)更安全，也可給腳一定的阻力，實現(xiàn)腳踝的主動康復(fù)。本發(fā)明通過將傳統(tǒng)機器人的剛性驅(qū)動器替換為氣動肌肉，再配合柔索5傳遞動力，解決了病人在康復(fù)過程中感覺不適甚至疼痛的問題，有利于病人的康復(fù)，且氣動肌肉重量輕，使用方便；加設(shè)的柔索導(dǎo)向定位機構(gòu)6能有效地控制所述動平臺I的運動范圍(即背屈/跖屈、內(nèi)翻/外翻的運動范圍)，提高了本機器人的可控性；加設(shè)的定滑輪7能有效地減小所述柔索5與定平臺6a之間的摩擦，提高了柔索5的使用壽命；通過優(yōu)化設(shè)計導(dǎo)向定位孔6c和柔索5與動平臺I下表面的連接點的位置以及動平臺I和定平臺6a之間的位置關(guān)系，進一步地提高了本機器人的可控性。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等 同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人，包括帶有腳套的動平臺、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和支架，所述動平臺通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)安裝在所述支架上，其特征是所述驅(qū)動機構(gòu)為氣動肌肉，所述氣動肌肉安裝在所述支架上，所述氣動肌肉的活動端通過柔索與所述動平臺相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人，其特征是所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)和支架之間設(shè)有柔索導(dǎo)向定位機構(gòu)，所述柔索導(dǎo)向定位機構(gòu)包括帶導(dǎo)向定位孔的定平臺和支撐桿，所述定平臺通過所述支撐桿固定安裝在所述支架上，所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)上端與所述動平臺相連，所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)下端安裝在所述支撐桿或定平臺上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人，其特征是所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)包括軸承支座、轉(zhuǎn)動件和轉(zhuǎn)動固定件，所述轉(zhuǎn)動固定件下端插裝在所述支撐桿上，所述轉(zhuǎn)動固定件上端通過第一單列滾針軸承活動安裝在所述轉(zhuǎn)動件內(nèi)，所述轉(zhuǎn)動件兩端分別設(shè)有第二單列滾針軸承，所述軸承支座分別通過所述第二單列滾針軸承將所述轉(zhuǎn)動件兩端壓裝在所述動平臺下表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人，其特征是所述支架上對應(yīng)所述導(dǎo)向定位孔的位置分別設(shè)有定滑輪，所述柔索一端與所述氣動肌肉的活動端相連，所述柔索另一端繞過所述定滑輪后再穿過所述導(dǎo)向定位孔，最后與所述動平臺相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人，其特征是所述導(dǎo)向定位孔的數(shù)量至少為3，所述氣動肌肉和柔索的數(shù)量分別與導(dǎo)向定位孔的數(shù)量相對應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人，其特征是所述導(dǎo)向定位孔的數(shù)量為3，所述3個導(dǎo)向定位 孔的中心所圍成的形狀為等腰三角形，所述等腰三角形的中心到頂點的連線a的長度為3 7cm，所述等腰三角形的中心到底邊一個端點的連線b的長度為r8cm，所述a和b的夾角α為9(TllO°，所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心位于所述等腰三角形的中心處。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人，其特征是所述柔索與動平臺下表面的連接點也對應(yīng)為3個，所述3個連接點所圍成的形狀也為等腰三角形，所述動平臺下表面3個連接點所圍成的等腰三角形的中心到頂點的連線A的長度為5 9cm,所述動平臺下表面3個連接點所圍成的等腰三角形的中心到底邊一個端點的連線B的長度為6 10cm，所述A和B的夾角β為12(Γ140°，所述轉(zhuǎn)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心位于所述動平臺下表面3個連接點所圍成的等腰三角形的中心處，所述動平臺的中心也位于所述動平臺下表面3個連接點所圍成的等腰三角形的中心處。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人，其特征是所述動平臺下表面與所述定平臺上表面之間的距離H為7 llcm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人，其特征是所述氣動肌肉水平安裝在所述支架上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣動肌肉驅(qū)動型兩自由度腳踝康復(fù)并聯(lián)機器人，包括帶有腳套的動平臺、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和支架，所述動平臺通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)安裝在所述支架上，所述驅(qū)動機構(gòu)為氣動肌肉，所述氣動肌肉安裝在所述支架上，所述氣動肌肉的活動端通過柔索與所述動平臺相連。本發(fā)明通過將傳統(tǒng)機器人的剛性驅(qū)動器替換為氣動肌肉，再配合柔索傳遞動力，解決了病人在康復(fù)過程中感覺不適甚至疼痛的問題，有利于病人的康復(fù)，且氣動肌肉重量輕，使用方便。適用于腳踝的康復(fù)。
文檔編號A63B21/008GK103110500SQ20131001269
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者艾青松, 劉泉, 姚碧濤, 徐圖, 周述勇 申請人:武漢理工大學(xué)