一种踝关节辅助复位康复机器人

1.本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种踝关节辅助复位康复机器人。


背景技术：

2.踝关节骨折手术后早期进行合适的康复训练有助于避免术后功能障碍，帮助调整患者关节及周围组织，加强关节周围肌群肌力训练，改善步态行走能力。
3.现有康复机器人的旋转中心一般是固定的，位于机构内部，踝关节中心随患者脚踝尺寸略有差异，不同患者在使用时，踝关节中心与机器人的旋转中心不能完全重合，在康复运动的过程中踝关节随机器人的转动会发生一定量的滑移，容易造成二次损伤。


技术实现要素：

4.本发明旨在提出一种踝关节辅助复位康复机器人，以解决现有踝关节康复机器人的旋转中心固定，无法适用不同尺寸踝关节的患者使用的技术问题。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样的：
6.一种踝关节辅助复位康复机器人，包括静平台、动平台、多条支链及调整机构，所述动平台包括相互连接的内环支架和外环支架，所述静平台及所述内环支架分别用于固定胫骨和足部，所述支链的一端与所述静平台连接，所述支链的另一端与所述外环支架连接，所述调整机构设于所述内环支架与所述外环支架之间，所述调整机构用于调整所述外环支架与所述内环支架的相对位置。
7.本发明所述的踝关节辅助复位康复机器人，静平台固定患者的胫骨，动平台的内环支架固定患者足部，在静平台与动平台的外环支架之间连接支链，通过支链带动外环支架相对静平台转动，以带动足部相对胫骨的运动，实现对踝关节的训练，该康复机器人的旋转中心由支链与外环支架决定，通过调整机构调节外环支架的相对位置，以改变支链的位置，直至支链带动所述外环支架运动的旋转中心与患者的踝关节中心相重合，完成对不同患者踝关节尺寸的适配，踝关节与康复机器人刚性连接，随着康复机器人的运动而同步运动，避免康复运动过程中踝关节随康复机器人的转动而发生滑移，使用更加安全，康复效果佳。
8.可选地，所述调整机构包括竖向调节结构和纵向调节结构，所述纵向调节结构用于调整所述外环支架与所述内环支架的纵向相对位置，所述竖向调节结构用于调整所述外环支架与所述内环支架的竖向相对位置。
9.可选地，所述外环支架包括第一支架、第二支架及第三支架，所述内环支架安装在所述第一支架上，所述第一支架的一侧设有相互连接的所述第二支架和所述第三支架，所述第一支架与所述第二支架之间设有所述纵向调节结构，所述第二支架与所述第三支架之间设有所述竖向调节结构，所述第三支架与所述支链连接。
10.可选地，所述纵向调节结构包括轨道、第一梯形丝杠、第一调节旋钮及第一锁紧旋钮，所述第一梯形丝杠包括第一丝杆和第一丝母，所述第二支架通过所述轨道与所述第一
支架滑动连接，所述第一丝杆纵向穿过所述第二支架并在两端连接所述第一调节旋钮，所述第一丝母套设在所述第一丝杆上并与所述第一支架固定，所述第一锁紧旋钮用于将所述第二支架与所述第一丝母锁紧。
11.可选地，所述竖向调节结构包括第二梯形丝杠、第二调节旋钮及第二锁紧旋钮，第二梯形丝杠包括第二丝杆和第二丝母，所述第二梯形丝杆竖向穿过所述第三支架，所述第二丝杆的一端连接所述第二调节旋钮，所述第二丝母套设在所述第二丝杆上并与所述第二支架固定，所述第二锁紧旋钮用于将所述第三支架与所述第二支架锁紧。
12.可选地，所述支链包括第一铰链、伸缩杆及第二铰链，所述伸缩杆的一端通过所述第一铰链与所述静平台连接，所述伸缩杆的另一端通过所述第二铰链与所述外环支架连接，所述伸缩杆适于伸缩以带动所述动平台向靠近或远离所述静平台方向运动。
13.可选地，所述支链设有四根，各所述支链的所述第一铰链分布在正方形的四个顶点上，各所述支链的所述第二铰链分布在长方形的四个顶点上。
14.可选地，所述第一铰链包括第一铰体、第二铰体及第一转轴，所述第一铰体的一端与所述静平台连接，所述第一铰体的另一端通过所述第一转轴连接与所述第二铰体转动连接，所述第二铰体连接所述伸缩杆。
15.可选地，所述第二铰链包括第三铰体、第四铰体、偏置虎克铰连接块、第二转轴、第三转轴及第四转轴，所述第三铰体的一端与所述伸缩杆连接，所述第三铰体的另一端通过所述第二转轴与所述偏置虎克铰连接块连接，所述第二转轴的轴线与所述第一转轴的轴线相互平行，所述偏置虎克铰连接块通过所述第三转轴与所述第四铰体的一端转动连接，所述第三转轴的轴线与所述第二转轴的轴线相对垂直，所述第四铰体的另一端通过所述第四转轴与所述外环支架连接。
16.可选地，所述第四铰体呈弧形结构，所述第三转轴和所述第四转轴沿弧形方向设置，所述第三转轴的轴线和所述第四转轴的轴线相交于所述踝关节辅助复位康复机器人的旋转中心。
附图说明
17.图1为本发明实施例的踝关节辅助复位康复机器人的结构示意图；
18.图2为本发明实施例的动平台的结构示意图；
19.图3为图2中a处的放大示意图；
20.图4为本发明实施例的第一铰链的结构示意图；
21.图5为本发明实施例的第二铰链的结构示意图。
22.附图标记说明：
23.1、静平台；2、动平台；21、内环支架；22、外环支架；221、第一支架；222、第二支架；223、第三支架；224、脚跟定位架；3、支链；31、第一铰链；311、第一铰体；312、第二铰体；313、第一转轴；314、第一挡盖；32、伸缩杆；33、第二铰链；331、第三铰体；332、第四铰体；333、偏置虎克铰连接块；334、第二转轴；335、第三转轴；336、第四转轴；4、调整机构；41、纵向调节结构；411、轨道；412、第一梯形丝杠；413、第一调节旋钮；414、第一锁紧旋钮；42、竖向调节结构；421、第二梯形丝杠；422、第二调节旋钮；423、第二锁紧旋钮。
具体实施方式
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
25.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“配合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.另外，还需要说明的是，在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。
27.本文中设置有坐标系xyz，其中，x轴的正向代表左方，x轴的反向代表右方，y轴的正向代表前方向，y轴的反向代表后方向，z轴的正向代表上方，z轴的反向代表下方。
28.如图1所示，本发明实施例的一种踝关节辅助复位康复机器人，包括静平台1、动平台2、多条支链3及调整机构4，所述动平台2包括相互连接的内环支架21和外环支架22，所述静平台1及所述内环支架21分别用于固定胫骨和足部，所述支链3的一端与所述静平台1连接，所述支链3的另一端与所述外环支架22连接，所述调整机构4设于所述内环支架21与所述外环支架22之间，所述调整机构4用于调整所述外环支架22与所述内环支架21的相对位置。
29.在本实施例中，所述静平台1与所述动平台2上下相对设置，所述静平台1与所述动平台2的外环支架22之间设有四根支链3。所述静平台1采用圆环形，患者的胫骨从圆环中部伸入，所述内环支架21包括两根相互平行的安装杆，患者的足部适于放置在两安装杆之间，所述安装杆及所述静平台1上均设有安装孔，胫骨通过克氏针固定到静平台1上的安装孔中，足部通过克氏针固定到内环支架21上。
30.需要说明的是，支链3带动外环支架22、内环支架21相对静平台1旋转，也即实现足部相对胫骨的运动，实现康复训练，在这个过程中，所述外环支架22的旋转中心由支链3决定。足部、胫骨分别固定在内环支架21和静平台1上，通过调整机构4调整外环支架22与内环支架21的位置，带动支链3移动，继而实现调整康复机器人旋转中心的目的，在患者足部位置固定不变的情况下，通过调整康复机器人旋转中心，以实现踝关节中心相重合的目的，避免康复过程中踝关节相对康复机器人发生滑移，使得二者保持同步运动，使用更加安全，康复效果更佳。这里，在调整的过程中，旋转中心沿z轴所示方向移动。
31.相较于现有的旋转中心固定的康复机器人的技术方案而言，踝关节中心与康复机器人旋转中心重合，二者同步运动，不易发生踝关节的滑移，造成二次损伤；相较于现有的以踝关节中心作为康复机器人的旋转中心的技术方案而言，旋转中心、踝关节的中心分开设置，踝关节不用承受多个方向作用力，可适于未完全愈合的踝关节损伤者使用。
32.可选地，如图1所示，所述调整机构4包括竖向调节结构42和纵向调节结构41，所述纵向调节结构41用于调整所述外环支架22与所述内环支架21的纵向相对位置，所述竖向调节结构42用于调整所述外环支架22与所述内环支架21的竖向相对位置。
33.在本实施例中，竖向为z轴所示方向，纵向为y轴所示方向，所述竖向调节结构42用
于带动外环支架22相对内环支架21沿z轴所示方向移动，所述纵向调节结构41用于带动所述外环支架22相对内环支架21沿y轴所示方向移动，通过y、z两方向调节外环支架22以达到调整旋转中心位置的目的。
34.可选地，如图2所示，所述外环支架22包括第一支架221、第二支架222及第三支架223，所述内环支架21安装在所述第一支架221上，所述第一支架221的一侧设有相互连接的所述第二支架222和所述第三支架223，所述第一支架221与所述第二支架222之间设有所述纵向调节结构41，所述第二支架222与所述第三支架223之间设有所述竖向调节结构42，所述第三支架223与所述支链3连接。
35.在本实施例中，所述第一支架221位于所述内环支架21的下方，所述外环支架22还包括脚跟定位架224，所述脚跟定位架224安装在所述内环支架21上，患者的脚跟置于脚跟定位架224中，实现对患者脚部的定位。
36.所述第一支架221在远离患者足部的一侧设有第二支架222和第三支架223，所述纵向调节结构41用于调整所述第二支架222相对所述第一支架221的位置，第二支架222可相对第一支架221沿y轴方向移动，竖向调节结构42用于调整所述第三支架223相对所述第二支架222的位置，第三支架223可相对第二支架222沿z轴所示方向移动，最终带动与所述第三支架223连接的支链3沿y轴和/或z轴方向移动，调整支链3及第三支架的位置，改变康复机器人的旋转中心。
37.可选地，如图2所示，所述纵向调节结构41包括轨道411、第一梯形丝杠412、第一调节旋钮413及第一锁紧旋钮414，所述第一梯形丝杠412包括第一丝杆和第一丝母，所述第二支架222通过所述轨道411与所述第一支架221滑动连接，所述第一丝杆纵向穿过所述第二支架222并在两端连接所述第一调节旋钮413，所述第一丝母套设在所述第一丝杆上并与所述第一支架221固定，所述第一锁紧旋钮414用于将所述第二支架222与所述第一丝母锁紧。
38.在本实施例中，所述轨道411可设两组，两组所述轨道分别靠近所述第三支架223的两端，每组所述轨道411包括左右两个轨道，每组的两个轨道分别与内环支架21的两侧连接。所述第一梯形丝杠412的第一丝杆沿y轴所示方向设置，所述第一梯形丝杠412的第一丝母套设在第一丝杆上，且与所述第一支架221固定。
39.当需要前后移动与所述支链3连接的所述第三支架223时，旋转所述第一调节旋钮413，所述第二支架222通过所述轨道411相对所述第一支架221沿y轴方向移动，第二支架222的移动带动与其连接的第三支架同步运动，移动到位后，第一锁紧旋钮414沿x轴所示方向穿过所述第二支架222与所述第一丝母，以将二者固定。需要调整旋转中心时，先拆下所述第一锁紧旋钮414，再旋转第一调节旋钮413。
40.可选地，如图3所示，所述竖向调节结构42包括第二梯形丝杠421、第二调节旋钮422及第二锁紧旋钮423，第二梯形丝杠421包括第二丝杆和第二丝母，所述第二梯形丝杆竖向穿过所述第三支架223，所述第二丝杆的一端连接所述第二调节旋钮422，所述第二丝母套设在所述第二丝杆上并与所述第二支架222固定，所述第二锁紧旋钮423用于将所述第三支架223与所述第二支架222锁紧。
41.在本实施例中，所述第二梯形丝杠421的第二丝杆沿z轴所示方向设置，所述第二丝杆的上端安装有第二调节旋钮422，所述第二丝杆竖向穿过所述第三支架223，所述第二丝母套设在第二丝杆上并与所述第二支架222固定。
42.当需要上下移动与所述支链3连接的所述第三支架223时，旋转所述第二调节旋钮422，带动所述第三支架223上下移动，所述支链3跟随运动，当该康复机器人的旋转中心与患者踝关节的旋转中心重合后，将第二锁紧旋钮423沿x轴所示方向插入所述第三支架223及所述第二支架222，以实现二者的相对锁紧；当需要再次调整旋转中心的位置时，可先拆下所述第二锁紧旋钮423，再旋转所述第二调节旋钮422。
43.需要说明的是，为了避免调节过程中出现倾斜不稳地现象，可在所述内环支架21的两侧设置设置两组竖向调节结构，每组所述竖向调节结构42包括前后两个竖向调节结构，在调整所述第三支架的上下位置时，可通过旋转其中对角的两个竖向调节结构42，以调整动平台内环与第三支架的相对位置关系，调整到位后，可锁紧对角的两个或四个全部锁紧。
44.可选地，如图1所示，所述支链3包括第一铰链31、伸缩杆32及第二铰链33，所述伸缩杆32的一端通过所述第一铰链31与所述静平台1连接，所述伸缩杆32的另一端通过所述第二铰链33与所述外环支架22连接，所述伸缩杆32适于伸缩以带动所述动平台2向靠近或远离所述静平台1方向运动。
45.在本实施例中，所述第一铰链31与所述静平台1可采用快拆结构固定。具体地，在所述静平台1的周向侧壁上设置垂直于z轴的内六角紧定螺钉，内六角紧定螺钉穿过端盖并与第一铰链31锁紧，端盖主要起到防止内六角紧定螺钉脱落。旋转所述内六角紧定螺钉，可实现对所述第一铰链31的紧固与拆卸，拆装方便。伸缩杆32由驱动电机驱动。
46.在踝关节手术前和手术中，可利用该康复机器人牵引根骨，实现消肿。具体地，患者的足部固定在动平台2的内环支架21上，且脚跟落在脚跟定位架224上，胫骨固定在静平台1上，驱动电机带动伸缩杆32动作，使整个动平台2以恒定的拉力缓慢垂直向下拉伸足部，此过程会逐渐牵拉由于受损而聚集在一起的肌肉组织，使软组织稳定到可以进行手术的状态，同时由于牵拉作用，会对骨折较为简单的情形，与其相连的骨折块获得初步复位，等待患处稳定时可以直接进行石膏固定，避免了开刀手术。
47.在踝关节手术后，驱动电机调整为驱动状态，进行踝关节的被动锻炼，改善踝关节的营养和愈合。
48.可选地，如图1所示，所述支链3设有四根，各所述支链3的所述第一铰链31分布在正方形的四个顶点上，各所述支链3的所述第二铰链33分布在长方形的四个顶点上。
49.在本实施例中，若支链3设置数量过多，则会增加冗余自由度，当与患者脚部固连的动平台移动时，如果患者的胫骨不能及时跟随，则会造成踝关节的二次损伤；若支链3设置数量过少，自由度太低，此类结构只能等效踝关节部分方向的转动，不能完全等效踝关节运动模型，影响一定的康复效果。本实施例采用四根支链。
50.由于四根第一铰链31、四根第二铰链33分别落在正方形、长方形的四个顶点上，该机器人的公共约束数为6，机构的状态更加稳定。具体地，所述静平台1为圆环形，四根所述第一铰链31分布在该圆环形的内切正方形上。
51.若四根第一铰链31、四根第二铰链33分别落在相似正方形的四个顶点上，或者四根第一铰链31、四根第二铰链33分别落在相似长方形的四个顶点上，则此时该康复机器人的公共约束数降为3，机构处于不确定的奇异状态，无法实现稳定地康复训练。
52.可选地，如图4所示，所述第一铰链31包括第一铰体311、第二铰体312及第一转轴
313，所述第一铰体311的一端与所述静平台1连接，所述第一铰体311的另一端通过所述第一转轴313连接与所述第二铰体312转动连接，所述第二铰体312连接所述伸缩杆32。
53.在本实施例中，所述第一铰体311垂直插入所述静平台1的铰链安装孔中。所述第一铰体311的侧壁设有用于内六角紧定螺钉穿设的顶丝槽，内六角紧定螺钉穿过端盖插入第一铰体311的顶丝槽内，实现快速拆装。
54.所述第一转轴313与所述第二铰体312之间设有第一轴承，方便转动，所述第一轴承的外部通过第一挡盖314遮挡。所述第一轴承为滚珠轴承。
55.可选地，如图5所示，所述第二铰链33包括第三铰体331、第四铰体332、偏置虎克铰连接块333、第二转轴334、第三转轴335及第四转轴336，所述第三铰体331的一端与所述伸缩杆32连接，所述第三铰体331的另一端通过所述第二转轴334与所述偏置虎克铰连接块333连接，所述第二转轴334的轴线与所述第一转轴313的轴线相互平行，所述偏置虎克铰连接块333通过所述第三转轴335与所述第四铰体332的一端转动连接，所述第三转轴335的轴线与所述第二转轴334的轴线相对垂直，所述第四铰体332的另一端通过所述第四转轴336与所述外环支架22连接。
56.在本实施例中，所述第二转轴334、第三转轴335分别与所述偏置虎克铰连接块333的两端连接，所述第二转轴334和第三转轴335的轴线方向相对垂直，且不汇交，构成偏置虎克铰，相较于现有的万向铰，两个转动轴正交的情形，在保证第二铰链结构紧凑的前提下，使第二铰链33中的各部件不易发生干涉，增大了转动范围。
57.所述第二转轴334与所述第三铰体331之间设有第二轴承，第二轴承通过第二挡盖遮挡；所述第三转轴335、第四转轴336的安装方式类似，不再重复说明。
58.可选地，如图5所示，所述第四铰体332呈弧形结构，所述第三转轴335和所述第四转轴336沿弧形方向设置，所述第三转轴335的轴线和所述第四转轴336的轴线相交于所述踝关节辅助复位康复机器人的旋转中心。
59.在本实施例中，四个所述第四铰体332均向患者脚踝一侧弯曲，每个所述第四铰体332两端的第三转轴335、第四转轴336的轴线相较于一点，四个弧形结构的共同中心为该康复机器人的旋转中心，支链3带动动平台2绕该旋转中心转动。
60.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。