一種踝關節康復裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種康復裝置，包括動平臺、固定平臺和用于連接二者的調節機構。動平臺頂面設腳底踏板，底面設第一球關節；調節機構包括兩驅動裝置，至少兩第一連接桿、至少兩第二連接桿、至少三支撐桿及中心約束桿；中心約束桿下端連接固定平臺，上端連接第一球關節；驅動裝置、第一連接桿和第二連接桿依次連接，用于水平轉動，且各連接處設第二球關節，支撐桿兩端分別連接第一球關節和第二球關節，帶動動平臺轉動；腳底踏板設壓力傳感器和功能電刺激電極。本發明通過上述結構，采用兩個驅動裝置實現康復裝置的三自由度轉動，使康復裝置控制方便，結構簡化，成本降低。本發明還涉及一種康復訓練系統，設有三種訓練模式，有效幫助患者做康復訓練。
【專利說明】一種踝關節康復裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及醫療器械領域，具體涉及一種踝關節康復裝置。

【背景技術】
[0002]一般來說，并聯機構定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯方式驅動的一種閉環機構。由于其具有剛度重量比大、承載能力強、誤差累積小、動態性能好、結構緊湊等特點，因此近年來逐漸地被應用于踝關節康復訓練器械領域。
[0003]美國魯特格大學設計出一種基于Stewart平臺的踝關節矯形機器，所述裝置采用氣動驅動機構使動平臺完成六個自由度的運動(Girone, M.J.，etal.0thopedicRehabilit1nUsingthe “RutgersAnkle，，Interface[A].Proc.0fMedicineMeetsVirtualReality2000[C].1OS Press, pp.89-95，January2000.)。
[0004]CN100588384C公開了一種生物融合式足關節康復機器人，所述機構以人足仿生為研究基礎，將膝下肢體作為運動分支融合到機器人中，并采用直線驅動(絲杠或者氣動)來實現足關節康復機器人完成多個自由度的康復運動。
[0005]CN201168163Y公開了一種踝關節康復訓練機器人，采用直流力矩驅動裝置驅動，結合虛擬現實技術和數據庫康復評價系統，幫助患者進行踝關節康復訓練。
[0006]CN102631275B公開了一種踝關節康復訓練機器人，設置多根可在導軌內滑動的支撐桿，使患者可實現多個自由度的康復訓練。
[0007]CN10199970B公開了一種并聯式多自由度踝關節康復訓練器，采用3-UPS/S型并聯結構，設置有三根長度可伸縮的運動支鏈，使患者可實現三個自由度的康復訓練。
[0008]CN102028604B公開了一種并聯式踝關節康復訓練器，通過將足底支撐板設置在兩條可伸縮的運動支鏈之間，使患者可實現兩個自由度的康復訓練。
[0009]雖然現有技術中已公開諸多不同結構的踝關節康復訓練器，但是它們仍存在一些問題:
[0010]1、使用的驅動裝置數量相對較多。為了達到更好的康復作用，滿足踝關節康復運動的自由度數目，現有技術往往通過設置較多的驅動裝置控制自由度的變量，既增加了設備成本和對設備控制的難度，同時也降低了系統的靈活性。
[0011]2、結構復雜，尤其是采用氣動或者液動伺服機構的設備，不僅結構非常復雜，而且制造和使用成本很高。
[0012]3、設備的康復效果不顯著。現有技術中的一些設備可轉動的角度很小，使得康復訓練的效果不明顯，不能滿足病患的康復訓練需求。


【發明內容】

[0013]為了解決上述技術問題，本發明人在進行大量的創造性勞動后，完成了本發明。
[0014]具體而言，本發明提供一種踝關節康復裝置，包括動平臺、固定平臺和調節機構，所述調節機構上端連接所述動平臺，所述調節機構下端連接所述固定平臺；所述動平臺頂面設有腳底踏板，所述動平臺底面設有若干第一球關節；
[0015]所述調節機構包括兩驅動裝置，至少兩第一連接桿、至少兩第二連接桿、至少三支撐桿及中心約束桿；
[0016]所述兩驅動裝置固設于所述固定平臺上，每一所述第一連接桿的一端與一所述驅動裝置連接，另一端與一所述第二連接桿的一端連接，兩相鄰所述第二連接桿的另一端彼此互相連接；
[0017]所述中心約束桿下端固設于所述固定平臺上，所述中心約束桿上端與所述第一球關節對應連接,每一所述第一連接桿與所述第二連接桿的連接處上端以及兩相鄰第二連接桿之間的連接處上端設有第二球關節，每一所述支撐桿下端與所述第二球關節對應連接，每一所述支撐桿上端與所述第一球關節對應連接。
[0018]優選地，所述的踝關節康復裝置，包括動平臺、固定平臺和調節機構，所述調節機構上端連接所述動平臺，所述調節機構下端連接所述固定平臺，所述動平臺頂面設有腳底踏板，所述動平臺底面設有若干第一球關節；
[0019]所述調節機構包括兩驅動裝置，兩第一連接桿，兩第二連接桿，三支撐桿及一中心約束桿；
[0020]所述兩驅動裝置固設于所述固定平臺上，每一所述第一連接桿的一端與一所述驅動裝置連接，另一端與一所述第二連接桿的一端連接，所述兩第二連接桿的另一端彼此互相連接；
[0021]所述中心約束桿下端固設于所述固定平臺上，所述中心約束桿上端與所述第一球關節對應連接，每一所述第一連接桿與所述第二連接桿的連接處上端以及兩第二連接桿之間的連接處上端設有第二球關節，每一所述支撐桿下端與所述第二球關節對應連接，每一所述支撐桿上端與所述第一球關節對應連接。
[0022]進一步地，所述腳底踏板上安裝有壓力傳感器和功能電刺激電極。
[0023]應當理解，所述功能電刺激電極用于通過電流刺激足底神經支配的肌肉，提高患者足底神經的反應功能，以提聞患者的踩關節康復效率。
[0024]優選地，所述驅動裝置與所述第一連接桿的連接處、所述第一連接桿與所述第二連接桿的連接處以及兩相鄰所述第二連接桿之間的連接處均采用銷釘連接方式。
[0025]優選地，所述動平臺底面的中心設有第一球關節，在所述動平臺底面的中心至外周之間的區域內圍繞所述動平臺底面的中心平均分布若干第一球關節，圍繞所述動平臺底面的中心平均分布的所述第一球關節的數量與所述支撐桿的數量相同。
[0026]可選地，所述驅動裝置可以焊接在所述固定平臺上，也可以螺紋連接在所述固定平臺上。
[0027]可選地，所述動平臺和所述固定平臺可以各自獨立地為圓形，橢圓形，矩形，圓角矩形，五邊形或六邊形中的一種。
[0028]應當理解，所述驅動裝置是用于帶動所述第一連接桿運動的動力裝置，可以是電機，也可以是其他動力裝置。
[0029]本發明還提供一種踝關節康復訓練系統，包括上述踝關節康復裝置和控制系統，所述控制系統包括:
[0030]壓力傳感器，設置于所述腳底踏板上，用于獲取足底壓力信號；
[0031]位置傳感器，設置于所述驅動裝置內，用于在線記錄所述踝關節康復裝置在各個運動時刻的位置信息；
[0032]信號采集模塊，用于采集所述足底壓力信號，并將所述足底壓力信號傳輸至計算機模塊；
[0033]計算機模塊，用于接收并處理所述足底壓力信號，發出控制指令；
[0034]驅動模塊，用于根據所述計算機模塊發出的控制指令做出相應驅動動作，所述驅動模塊包括多軸運動控制卡、驅動器和驅動裝置，所述驅動器根據所述多軸運動控制卡的控制指令驅動所述驅動裝置運動。
[0035]進一步地，所述計算機模塊包括人機交互單元，所述人機交互單元用于設定被動控制模式、主動控制模式和阻抗控制模式；
[0036]所述被動控制模式用于根據系統設定的固定的康復訓練模式向所述驅動模塊發出控制指令，由所述驅動模塊帶動所述康復裝置對使用者的踝關節進行訓練；
[0037]所述主動控制模塊用于根據檢測到的所述足底壓力信號和人體實時位置信號向所述驅動模塊發出控制指令，由所述驅動模塊驅動所述康復訓練裝置對使用者的踝關節進行訓練；
[0038]所述阻抗控制模式用于根據檢測到的所述足底壓力信號和人體實時位置信號向所述驅動模塊發出控制指令，由所述驅動模塊驅動所述康復訓練裝置在使用者的踝關節的運動方向上施加相反的恒定阻力。
[0039]進一步地，所述控制系統還包括電刺激電極陣列，設置于所述踝關節康復裝置的腳底踏板中，用于刺激足底神經。
[0040]本發明的有益效果如下:
[0041]1、控制靈活，使用驅動裝置較少，實現多自由度轉動。
[0042]本發明中，驅動驅動裝置工作，帶動第一連接桿繞驅動裝置的豎直方向軸線做水平轉動，進而由第一連接桿帶動第二連接桿繞連接處的豎直方向軸線做水平轉動，由于各連接處的位置發生改變，且各支撐桿下端與各連接處上方的第二球關節連接，因此各連接處帶動支撐桿的下端作水平運動。
[0043]又由于中心約束桿下端固定，中心約束桿的上端及支撐桿上端均與動平臺通過第一球關節連接，因此，支撐桿的運動帶動動平臺繞支撐桿長度方向的軸線轉動，配合支撐桿下端的水平運動，帶動動平臺實現多自由度的轉動。
[0044]2、結構簡單，成本較低，適于產業化。
[0045]本發明中，采用的驅動裝置數量較少，其他連接部件和支撐部件的結構相對也簡單，易于制造且成本較低。
[0046]3、提供多種康復訓練模式，康復效果良好。
[0047]本發明中，踝關節的康復訓練系統提供了被動控制模式、主動控制模式和阻抗控制模式三種控制，根據患者的病情特點，可選擇合適的控制模式進行訓練，從而達到良好的康復效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]圖1是本發明實施例一踝關節康復裝置的結構示意圖。
[0049]圖2是本發明實施例一踝關節康復裝置的立體分解圖。
[0050]圖3是本發明實施例一踝關節康復裝置的調節機構的連接結構示意圖(支撐桿和中心約束桿未示出)。
[0051]圖4是本發明實施例一踝關節康復裝置動平臺底面的結構示意圖。
[0052]圖5是本發明實施例一踝關節康復裝置腳底踏板的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0053]下面通過具體的實施例對本發明進行詳細說明，應當理解的是，這些【具體實施方式】僅用來例舉本發明，并非對本發明的實際保護范圍構成任何形式的任何限定。
[0054]在本發明中，術語“內”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“頂”、“底”、“豎直”、“水平”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅為了便于描述本發明及其實施例，并非用于限定所指示的裝置、元件或組成部分必須具有特定方位，或以特定方位進行構造和操作。
[0055]此外，術語“安裝”、“設置”、“設有”、“連接”、“相連”應做廣義理解。例如，可以是固定連接，可拆卸連接，或整體式構造；可以是機械連接，或電連接；可以是直接相連，或者是通過中間媒介間接相連，又或者是兩個裝置、元件或組成部分之間內部的連通。對于本領域普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0056]實施例一
[0057]參閱圖1至圖5，本發明的第一實施例是一種踝關節康復裝置，該康復裝置包括動平臺1、固定平臺2和調節機構3,該調節機構3上端連接該動平臺1，該調節機構下端連接該固定平臺2。
[0058]該動平臺I頂面設有腳底踏板11，該腳底踏板11上安裝有壓力傳感器111和功能電刺激電極112，該動平臺I底面設有四個第一球關節12，其中，一個該第一球關節12設于該動平臺I底面的中心位置，其他三個該第一球關節12圍繞該中心的第一球關節12平均分布在該動平臺I的底面上。
[0059]該調節機構3包括兩個驅動裝置31、兩根第一連接桿32、兩根第二連接桿33、三根支撐桿34及中心約束桿35。兩個該驅動裝置31固設于該固定平臺2上，每一根該第一連接桿32的一端與該驅動裝置31連接，另一端與一根該第二連接桿33連接，兩根該第二連接桿33的另一端互相連接。
[0060]該中心約束桿35下端固設于該固定平臺2上，上端與該動平臺I底面中心位置的該第一球關節11對應連接，該驅動裝置31與該第一連接桿32的連接處、該第一連接桿32與該第二連接桿33的連接處以及兩該第二連接桿33的連接處均采用銷釘連接方式連接，且在銷釘連接的上方設有第二球關節36，該支撐桿34下端對應連接該第二球關節36，上端對應連接該第一球關節12。
[0061]可以理解的是，該驅動裝置可以是驅動電機，也可以是其他能夠帶動機械結構運動的動力裝置。
[0062]可以理解的是，該驅動裝置31可以焊接在該固定平臺2上，也可以通過螺紋連接方式固設于該固定平臺2上，也可以通過其他能夠將該驅動裝置31固定在該固定平臺2上的方式連接。
[0063]可以理解的是，該中心約束桿35下端可以焊接在該固定平臺2上，也可以通過螺紋連接方式固定在該固定平臺2上。
[0064]可以理解的是，該驅動裝置31與該第一連接桿32的連接處、該第一連接桿32與該第二連接桿33的連接處以及兩該第二連接桿33的連接處還可以螺紋連接方式，也可以采用其他能夠滿足各部件之間水平移動的連接方式。
[0065]可以理解的是，該動平臺I和該固定平臺2各自獨立地為圓形，橢圓形，矩形，圓角矩形，五邊形或六邊形中的一種。
[0066]在本實施例中，調節機構中的驅動裝置與第一連接桿、第一連接桿與第二連接桿以及第二連接桿之間均通過銷釘連接，即各部件之間可進行水平轉動；同時，支撐桿的上下兩端分別通過球關節與動平臺及各水平移動的部件連接，且中心約束桿下端固定于固定平臺，上端通過球關節連接于動平臺，即動平臺可通過各球關節進行空間轉動。
[0067]當驅動裝置工作時，驅動裝置首先帶動第一連接桿繞驅動裝置的豎直方向軸線做水平轉動，進而由第一連接桿帶動第二連接桿繞連接處的豎直方向軸線做水平轉動，由于各連接處的位置發生改變，且各支撐桿下端與各連接處上方的第二球關節連接，因此各連接處帶動支撐桿的下端作水平運動。
[0068]又由于中心約束桿下端固定，中心約束桿的上端及支撐桿上端均與動平臺通過第一球關節連接，因此，支撐桿的運動帶動動平臺繞支撐桿長度方向的軸線進行空間轉動，同時與支撐桿下端的水平運動相協調，帶動動平臺實現多自由度的轉動。
[0069]實施例二
[0070]本發明的第二實施例是一種踝關節康復訓練系統，包括實施例一中的踝關節康復裝置和控制系統，該控制系統包括:
[0071]壓力傳感器101，設置于康復裝置的腳底踏板上，用于獲取足底壓力信號；
[0072]位置傳感器102，設置于康復裝置的驅動裝置內，用于在線記錄所述踝關節康復裝置在各個運動時刻的位置信息；
[0073]信號采集模塊201，用于采集該足底壓力信號，并將該足底壓力信號傳輸至計算機模塊；
[0074]計算機模塊301，用于接收并處理該足底壓力信號，并向驅動模塊發出控制指令；
[0075]驅動模塊，用于根據該計算機模塊301發出的控制指令做出相應驅動動作，該驅動模塊包括多軸運動控制卡401、驅動器402和驅動裝置403，該驅動器402根據該多軸運動控制卡401的控制指令驅動該驅動裝直403運動。
[0076]本實施例中，在踝關節康復裝置的腳底踏板中還設有功能電刺激電極，具體是功能性電刺激電極陣列，通過電流刺激足底神經支配的肌肉，提高患者足底神經的反應功能，以提聞患者的踩關節康復效率。
[0077]可以理解的是，本實施例中的康復訓練系統也可包括其他類型的踝關節康復裝置，具體可以包括使用多驅動裝置實現多自由度轉動的踝關節康復裝置。
[0078]本實施例中，該計算機模塊包括人際交互單元，該人機交互單元用于設定被動控制模式、主動控制模式和阻抗控制模式。
[0079]該被動控制模式用于根據計算機模塊設定的固定的康復訓練模式向該驅動模塊發出控制指令，由該驅動模塊帶動康復裝置對使用者的踝關節進行訓練；
[0080]該主動控制模塊用于根據檢測到的該足底壓力信號和人體實時位置信號向該驅動模塊發出控制指令，由該驅動模塊驅動該康復訓練裝置對使用者的踝關節進行訓練；
[0081]該阻抗控制模式用于根據檢測到的該足底壓力信號和人體實時位置信號向該驅動模塊發出控制指令，由該驅動模塊驅動該康復訓練裝置在使用者的踝關節的運動方向上施加相反的恒定阻力。
[0082]使用者根據自身特點，選擇合適的控制模式進行康復訓練，即可達到良好的康復效果。
[0083]在康復訓練初期，采用被動控制模式。結合人體踝關節正常運動時的曲線，利用計算機模塊將這些曲線信號傳送給多軸運動控制卡，由多軸運動控制卡發出命令，控制驅動裝置帶動各連接桿進行水平轉動，進而驅動動平臺帶動使用者的患肢做內翻/外翻、背屈/跖屈、內收/外展三種形式的康復訓練運動。此階段，調節功能電刺激電極陣列對患者腳底神經的刺激程度(較中期頻率高一些)，提高患者踝關節的康復效率。
[0084]在康復訓練中期，采用主動控制模式。計算機模塊將位置傳感器和壓力傳感器的信號傳送至多軸運動控制卡，由多軸運動控制卡根據這些信號，協調控制驅動裝置，使得動平臺根據使用者自身意愿來進行內翻/外翻、背屈/跖屈、內收/外展三種形式康復訓練。此階段，調節功能電刺激電極對腳底神經的刺激程度(較初期低一些)，以提高踝關節患者的康復效率。
[0085]在康復訓練的后期，為了強化康復效果，采用阻抗控制模式。此時計算機模塊通過分析處理位置傳感器和壓力傳感器的信號，判斷使用者的運動意圖，控制算法經過運算后，通過多軸運動控制卡，向驅動裝置施加與使用者踝關節的運動方向相反的恒定阻力，阻力大小可調節，達到強化訓練，鍛煉踝關節相關的肌肉，從而使踝關節康復。
[0086]應當理解，這些實施例的用途僅用于說明本發明而非意欲限制本發明的保護范圍。此外，也應理解，在閱讀了本發明的技術內容之后，本領域技術人員可以在不脫離本發明原理的前提下，對發明的技術方案做若干改動、修改和/或變型，例如動平臺和固定平臺的形狀可以是不規則多邊形，各部件連接處的連接方式不限于焊接、螺紋連接、銷釘連接或球關節連接，只要所采用的連接方式可以滿足各部件的水平旋轉或空間旋轉，所有的這些等同形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種踝關節康復裝置，包括動平臺、固定平臺和調節機構，所述調節機構上端連接所述動平臺，所述調節機構下端連接所述固定平臺，其特征在于，所述動平臺頂面設有腳底踏板，所述動平臺底面設有若干第一球關節； 所述調節機構包括兩驅動裝置，至少兩第一連接桿、至少兩第二連接桿、至少三支撐桿及中心約束桿； 所述兩驅動裝置固設于所述固定平臺上，每一所述第一連接桿的一端與一所述驅動裝置連接，另一端與一所述第二連接桿的一端連接，兩相鄰所述第二連接桿的另一端彼此互相連接； 所述中心約束桿下端固設于所述固定平臺上，所述中心約束桿上端與所述第一球關節對應連接，每一所述第一連接桿與所述第二連接桿的連接處上端以及兩相鄰第二連接桿之間的連接處上端設有第二球關節，每一所述支撐桿下端與所述第二球關節對應連接，每一所述支撐桿上端與所述第一球關節對應連接。
2.根據權利要求1所述的踝關節康復裝置，包括動平臺、固定平臺和調節機構，所述調節機構上端連接所述動平臺，所述調節機構下端連接所述固定平臺，其特征在于，所述動平臺頂面設有腳底踏板，所述動平臺底面設有若干第一球關節； 所述調節機構包括兩驅動裝置，兩第一連接桿，兩第二連接桿，三支撐桿及一中心約束桿； 所述兩驅動裝置固設于所述固定平臺上，每一所述第一連接桿的一端與一所述驅動裝置連接，另一端與一所述第二連接桿的一端連接，所述兩第二連接桿的另一端彼此互相連接; 所述中心約束桿下端固設于所述固定平臺上，所述中心約束桿上端與所述第一球關節對應連接，每一所述第一連接桿與所述第二連接桿的連接處上端以及兩第二連接桿之間的連接處上端設有第二球關節，每一所述支撐桿下端與所述第二球關節對應連接，每一所述支撐桿上端與所述第一球關節對應連接。
3.根據權利要求1至2任一項所述的踝關節康復裝置，其特征在于，所述腳底踏板上安裝有壓力傳感器和功能電刺激電極。
4.根據權利要求1至2任一項所述的踝關節康復裝置，其特征在于，所述驅動裝置與所述第一連接桿的連接處、所述第一連接桿與所述第二連接桿的連接處以及兩相鄰所述第二連接桿之間的連接處均采用銷釘連接方式。
5.根據權利要求1至2任一項所述的踝關節康復裝置，其特征在于，所述動平臺底面的中心設有一第一球關節，在所述動平臺底面的中心至外周之間的區域內圍繞所述動平臺底面的中心平均分布若干第一球關節，圍繞所述動平臺底面的中心平均分布的所述第一球關節的數量與所述支撐桿的數量相同。
6.根據權利要求1至2任一項所述的踝關節康復裝置，其特征在于，所述驅動裝置可以焊接在所述固定平臺上，也可以螺紋連接在所述固定平臺上。
7.根據權利要求1至2任一項所述的踝關節康復裝置，其特征在于，所述動平臺和所述固定平臺各自獨立地為圓形，橢圓形，矩形，圓角矩形，五邊形或六邊形中的一種。
【文檔編號】A61N1/36GK104068991SQ201410327810
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年7月10日
【發明者】趙國如, 王永奉, 范順成, 劉更謙 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院