專(zhuān)利名稱(chēng)：生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，特別是涉及一種具有多自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)全方向關(guān)節(jié)功能康復(fù)，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)與足關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)完全重合的足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人。
背景技術(shù)：
足關(guān)節(jié)包括距上關(guān)節(jié)(俗稱(chēng)踝關(guān)節(jié))，距下關(guān)節(jié)(包括距跟舟關(guān)節(jié)和距跟關(guān)節(jié))。其中距上關(guān)節(jié)為滑車(chē)關(guān)節(jié)，其主要運(yùn)動(dòng)為背屈及跖屈。此外，由于滑車(chē)關(guān)節(jié)面前寬后窄，足在跖屈時(shí)，距骨滑車(chē)較窄的后部進(jìn)入關(guān)節(jié)窩，使關(guān)節(jié)窩大于關(guān)節(jié)頭，故還能做輕度的外展和內(nèi)收運(yùn)動(dòng)。距下關(guān)節(jié)在機(jī)能上是聯(lián)合關(guān)節(jié)，其主要運(yùn)動(dòng)為內(nèi)翻和外翻運(yùn)動(dòng)。在人工關(guān)節(jié)研制中，經(jīng)常將足關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為具有一個(gè)或三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。
足關(guān)節(jié)損傷主要包括踝關(guān)節(jié)骨折，韌帶撕脫和斷裂。由于踝關(guān)節(jié)距骨滑車(chē)的后部較窄，當(dāng)跖屈時(shí)距骨滑車(chē)較窄的后部進(jìn)入關(guān)節(jié)窩內(nèi)，故可有輕微的側(cè)向(展、收)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)距小腿關(guān)節(jié)松動(dòng)而穩(wěn)定性較差，易受扭傷，其中以內(nèi)翻扭傷較多見(jiàn)(外側(cè)韌帶損傷)。關(guān)節(jié)損傷的康復(fù)治療是在初期藥物治療或手術(shù)之后的第二個(gè)重要治療過(guò)程，是通過(guò)關(guān)節(jié)的連續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)(Continuous Passive Motion，CPM)，以及理療按摩等進(jìn)行功能恢復(fù)。但目前患者主要是通過(guò)緩慢行走進(jìn)行功能恢復(fù)。這種方法由于觸地的強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)幅度等不易掌握，不僅使恢復(fù)治療所用時(shí)間長(zhǎng)、不徹底，而且會(huì)給患者帶來(lái)很大的痛苦，甚至造成嚴(yán)重的二次損傷和習(xí)慣性扭傷。
足關(guān)節(jié)損傷的康復(fù)治療過(guò)程可分為兩個(gè)階段。第1階段一般在傷后48-72小時(shí)后開(kāi)始?？祻?fù)訓(xùn)練可維持肌收縮運(yùn)動(dòng)，防止廢用性肌肉萎縮，關(guān)節(jié)囊和韌帶等軟組織攣縮，同時(shí)促進(jìn)了關(guān)節(jié)內(nèi)滑液的分泌和循環(huán)，從而預(yù)防關(guān)節(jié)內(nèi)發(fā)生粘連。第2階段康復(fù)治療的目的在于最大限度地恢復(fù)受損肢體的運(yùn)動(dòng)功能。此階段的治療可選用，被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)功能牽引，關(guān)節(jié)松動(dòng)術(shù)，推拿，理療等治療方法。關(guān)節(jié)松動(dòng)術(shù)(joint mobilization JM)是一種被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)證明，這種方法可以促進(jìn)關(guān)節(jié)液的流動(dòng)，增加關(guān)節(jié)軟骨和軟骨無(wú)血管區(qū)的營(yíng)養(yǎng)，緩解疼痛，防止因活動(dòng)減少而引起的關(guān)節(jié)退變，可保持或增加關(guān)節(jié)周?chē)M織的伸展性，改善關(guān)節(jié)活動(dòng)度，已經(jīng)成為現(xiàn)代康復(fù)治療技術(shù)的重要組成部分。
為了使受損的足關(guān)節(jié)快速，最大限度地恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能。人們?cè)O(shè)計(jì)出了多種康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。中國(guó)專(zhuān)利ZL99106695.2公開(kāi)了一種用于四肢骨折患者在手術(shù)后進(jìn)行關(guān)節(jié)功能康復(fù)鍛煉的肢關(guān)節(jié)功能康復(fù)器，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需底座支架，可直接安裝在患者的關(guān)節(jié)部位上工作，能根據(jù)使用者關(guān)節(jié)所能彎曲的最大位置自動(dòng)選擇最佳的工作角度，適合患者在家庭個(gè)人使用。
中國(guó)專(zhuān)利ZL94227560.8公開(kāi)。這種康復(fù)器采用雙平行四邊形機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。能夠使病員下肢關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)與雙平行四邊形的虛鉸接點(diǎn)重合，避免了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)人體的干涉和皮膚損傷。這兩種專(zhuān)利康復(fù)器的不足是足關(guān)節(jié)僅有一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，難以實(shí)現(xiàn)人足的復(fù)雜康復(fù)運(yùn)動(dòng)。
此外，一種癱瘓足康復(fù)電動(dòng)鞋已被中國(guó)專(zhuān)利ZL01216338.4公開(kāi)，該康復(fù)器通過(guò)偏心輪組驅(qū)動(dòng)多向擺動(dòng)架，該擺動(dòng)架通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與腳底板相連，帶動(dòng)足關(guān)節(jié)產(chǎn)生兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)?？蓪?shí)現(xiàn)腳面不斷運(yùn)動(dòng)，并可根據(jù)需要使踝關(guān)節(jié)維持功能位。
這些康復(fù)器系統(tǒng)的共同缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)之初沒(méi)有充分考慮人類(lèi)肢體的特殊復(fù)雜性，沒(méi)有以人的肢體的生理解剖結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)中心，從而使系統(tǒng)康復(fù)運(yùn)動(dòng)形式單一，自由度少，機(jī)構(gòu)系統(tǒng)缺乏柔性。因此，不能很好的解決患者足關(guān)節(jié)在某些方向上的運(yùn)動(dòng)功能受限問(wèn)題，康復(fù)的安全性得不到很好的保障，不能滿足患者安全快速康復(fù)的需要。
為了克服現(xiàn)有足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中存在的自由度少，康復(fù)運(yùn)動(dòng)形式單一，療效欠佳，安全性較差的不足，本發(fā)明提供了一種生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。本發(fā)明專(zhuān)門(mén)針對(duì)人足關(guān)節(jié)的生理解剖結(jié)構(gòu)，將人膝下肢體作為運(yùn)動(dòng)分支設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，具有多個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的康復(fù)運(yùn)動(dòng)。從而能夠更好地滿足患者安全，舒適，快速地進(jìn)行足關(guān)節(jié)康復(fù)的需要。能夠解決患者足關(guān)節(jié)在某些方向上的運(yùn)動(dòng)功能受限問(wèn)題，因而療效更好。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器上端通過(guò)萬(wàn)向鉸與上平臺(tái)的安裝支架相連，其下端通過(guò)球鉸與平臺(tái)相連，四個(gè)安裝支架及固定板固聯(lián)到安裝臺(tái)上構(gòu)成上平臺(tái)；三個(gè)支架上端與安裝臺(tái)固聯(lián)下端與底座固聯(lián)構(gòu)成支座。
人腳通過(guò)夾持器與平臺(tái)固聯(lián)，小腿通過(guò)小腿固定器與上平臺(tái)相連，搭扣與固定板固聯(lián)，搭扣與踏板固定安裝，踏板固聯(lián)到平臺(tái)上構(gòu)成下平臺(tái)。
直線驅(qū)動(dòng)單元由直線驅(qū)動(dòng)器，彈性耦合單元串聯(lián)組成。
直線驅(qū)動(dòng)器有以下三種結(jié)構(gòu)第一種結(jié)構(gòu)是直線驅(qū)動(dòng)器由電機(jī)、安裝臺(tái)和絲杠串聯(lián)組成；第二種結(jié)構(gòu)是直線驅(qū)動(dòng)器選用雙向運(yùn)動(dòng)氣缸；第三種結(jié)構(gòu)是直線驅(qū)動(dòng)器選用電動(dòng)缸。
彈性耦合單元可選用金屬?gòu)椈?，橡膠彈簧或空氣彈簧。
四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)單元上端通過(guò)U副(萬(wàn)向鉸)與上平臺(tái)安裝支架相連，下端通過(guò)S副(球鉸)與下平臺(tái)相連，人腳通過(guò)夾持器與下平臺(tái)固連，小腿通過(guò)小腿固定器與上平臺(tái)相連，共同構(gòu)成一套有人的肢體作為運(yùn)動(dòng)分支參與的并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明以人足仿生研究為基礎(chǔ)，把人的膝下肢體作為運(yùn)動(dòng)分支融合到整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)出了生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。本康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)具有多個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的康復(fù)運(yùn)動(dòng)，很好地解決患者足關(guān)節(jié)在某些方向上關(guān)節(jié)功能受限的康復(fù)治療問(wèn)題；轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)與足關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)完全重合，康復(fù)過(guò)程更加安全舒適。并可將康復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的數(shù)據(jù)用于治療診斷。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎，安全可靠，運(yùn)動(dòng)靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)全方向的關(guān)節(jié)功能康復(fù)，能很好地適應(yīng)人類(lèi)肢體生理結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的主視圖；圖2為生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的側(cè)視圖；圖3為第一種直線驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)圖；圖4為第二種直線驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)圖；圖5為第三種直線驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)圖；
圖6為生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的軸測(cè)圖；圖7為氣缸驅(qū)動(dòng)生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的軸測(cè)圖；圖8為電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的軸測(cè)圖。
在圖1-圖6中，1.安裝臺(tái)，2.小腿，3.固定板，4.U副(萬(wàn)向鉸)，5.安裝支架，6.直線驅(qū)動(dòng)器，7.支架，8.彈性耦合單元，9.S副(球鉸)，10.踏板，11.人腳，12.平臺(tái)，13.搭扣，14.底座，15.搭扣，16.上平臺(tái)，17.下平臺(tái)，18.電機(jī)，19.連接臺(tái)，20.絲杠，21.S副球頭，22.雙向運(yùn)動(dòng)氣缸，23.電動(dòng)缸，24.氣源，25.管路。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1圖1是本發(fā)明公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例。四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)單元上端通過(guò)U副(萬(wàn)向鉸)4與上平臺(tái)安裝支架5相連，下端通過(guò)S副(球鉸)9與下平臺(tái)17相連，人腳11通過(guò)夾持器與下平臺(tái)17固聯(lián)，小腿2通過(guò)小腿固定器與上平臺(tái)16相連。搭扣15與固定板3固聯(lián)，四個(gè)安裝支架5及固定板3固聯(lián)到安裝臺(tái)1上構(gòu)成上平臺(tái)16。小腿后部放入固定板后，通過(guò)前部的搭扣13將小腿固定到上平臺(tái)16。搭扣13與踏板10固定安裝，踏板10固聯(lián)到平臺(tái)12上構(gòu)成下平臺(tái)17。人腳底放入踏板10，通過(guò)搭扣13將腳固定到下平臺(tái)17。電機(jī)18及絲杠20安裝到連接臺(tái)19上。彈性耦合單元8上端與絲杠20串接到一起，下端與S副球頭21固聯(lián)共同構(gòu)成直線驅(qū)動(dòng)單元。三個(gè)支架7上端與安裝臺(tái)1固聯(lián)，下端與底座14固聯(lián)構(gòu)成支座，以支撐整個(gè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)。進(jìn)行康復(fù)治療時(shí)將系統(tǒng)平放，使底座與地面接觸，電機(jī)18接電即可實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)。
實(shí)施例2圖6為本發(fā)明的第二種實(shí)施例。將實(shí)例一中的直線驅(qū)動(dòng)器更換為雙向運(yùn)動(dòng)氣缸22，雙向運(yùn)動(dòng)氣缸22由缸體和柱塞桿組成，彈性耦合單元8與柱塞桿串接到一起，彈性耦合單元8上端是與球副相配合的球頭21。雙向運(yùn)動(dòng)氣缸22與機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的連接方式與實(shí)施例1相同。氣源24通過(guò)管路25向氣缸供氣，即可實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動(dòng)單元的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
實(shí)施例3
圖7為本發(fā)明的第三種實(shí)施例。實(shí)例一中的直線驅(qū)動(dòng)器由電動(dòng)缸23代替，電動(dòng)缸23由缸體和桿件組成，彈性耦合單元8與桿件串接到一起，彈性耦合單元8的上端是與球副相配合的球頭21，電動(dòng)缸23與機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的連接方式與實(shí)施例1相同。向電動(dòng)缸加電即可實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動(dòng)單元的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，包括萬(wàn)向鉸(4)、球鉸(9)、底座(14)和控制部分，其特征是四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器(6)上端通過(guò)萬(wàn)向鉸(4)與上平臺(tái)(16)的安裝支架(5)相連，其下端通過(guò)球鉸(9)與平臺(tái)(12)相連，四個(gè)安裝支架(5)及固定板(3)固聯(lián)到安裝臺(tái)(1)上構(gòu)成上平臺(tái)(16)；三個(gè)支架(7)上端與安裝臺(tái)(1)固聯(lián)，其下端與底座(14)固聯(lián)構(gòu)成支座。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，其特征是人腳(11)通過(guò)夾持器與平臺(tái)(12)固聯(lián)，小腿(2)通過(guò)小腿固定器與上平臺(tái)(16)相連，搭扣(15)與固定板(3)固聯(lián)，搭扣(13)與踏板(10)固定安裝，踏板(10)固聯(lián)到平臺(tái)(12)上構(gòu)成下平臺(tái)(17)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，其特征是直線驅(qū)動(dòng)器(6)可選用絲杠螺母機(jī)構(gòu)、雙向運(yùn)動(dòng)氣缸(22)或電動(dòng)缸(23)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，其特征是絲杠螺母機(jī)構(gòu)的電機(jī)(18)與絲杠(20)聯(lián)接安裝在連接臺(tái)(19)上，彈性耦合單元(8)與絲杠(20)串接到一起，彈性耦合單元(8)的上端是與球副相配合的球頭(21)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，其特征是雙向運(yùn)動(dòng)氣缸(22)由缸體和柱塞桿組成，彈性耦合單元(8)與柱塞桿串接到一起，彈性耦合單元(8)的上端是與球副相配合的球頭(21)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，其特征是電動(dòng)缸(23)由缸體和桿件組成，彈性耦合單元(8)與桿件串接到一起，彈性耦合單元(8)的上端是與球副相配合的球頭(21)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，其特征是所述的彈性耦合單元(8)可選用金屬?gòu)椈?、橡膠彈簧或空氣彈簧。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種生物融合式足關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人。其特征是四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)單元上端通過(guò)萬(wàn)向鉸(4)與上平臺(tái)(16)的安裝支架(5)相連，下端通過(guò)球副(9)與下平臺(tái)(12)相連，人腳(11)通過(guò)夾持器與下平臺(tái)(12)固連，小腿(2)通過(guò)固定器與上平臺(tái)(16)相連。直線驅(qū)動(dòng)器(6)可選用絲杠螺母機(jī)構(gòu)、雙向運(yùn)動(dòng)氣缸(22)或電動(dòng)缸(23)。本發(fā)明以人足仿生研究為基礎(chǔ)，把人的膝下肢體作為運(yùn)動(dòng)分支融合到機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中。本康復(fù)機(jī)器人具有多個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的康復(fù)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)與足關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)完全重合。并可將康復(fù)過(guò)程中的數(shù)據(jù)用于診斷治療。因此本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎，安全可靠，運(yùn)動(dòng)靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)全方向的關(guān)節(jié)功能康復(fù)，能很好地適應(yīng)人足生理結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B25J11/00GK1923157SQ20061004828
公開(kāi)日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2006年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日
發(fā)明者趙鐵石, 潘旺, 李艷文, 梁志成 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)