一种六自由度可穿戴式脚踝康复医疗机器人

1.一种六自由度可穿戴式脚踝康复医疗机器人，其特征在于：该机器人包括上平台、下平台、底座、六套缸和计算机控制与采集系统，其中
上平台由中心套筒和外侧刚性结构固连而组成，套筒的材质柔软而有弹性，套在患者腿部并固定；
下平台与患者的鞋固定相连，从而固定患者的脚部；
底座中心设置有一个凸台，该凸台与下平台中心底部以球铰连接，限制下平台只能围绕该球铰转动；所述底座边缘有三条垂直向上伸展的条状固定模块，所述固定模块的上部具有凹槽，所述上平台的刚性结构外端有三个滑块，每个滑块嵌入一个所述凹槽，使得上平台可以上下滑动，从而调整上平台的高度，调整完毕后使用螺钉将上平台固定于某一高度上；
每套缸的缸筒的一端通过虎克铰与上平台连接，每套缸的活塞杆的另一端分别通过球铰与下平台连接，通过活塞杆的伸缩控制下平台相对于上平台的运动；
计算机控制与采集系统，可用于控制所述六套缸的伸缩，并且可采集记录缸的运动过程，将采集到的运动过程信息存档到数据库文件中，之后能够根据所述数据库文件控制缸的伸缩，从而复现缸的运动过程；
上平台的顶部与六套缸的缸筒一端各以一个虎克铰连接，六个虎克铰分成三对，每对虎克铰相对上平台中心间隔30°夹角，三对虎克铰的位置以120°旋转对称分布；所述下平台与六套缸的活塞杆的一端各以一个球铰连接，六个球铰分成三对，每对球铰相对下平台中心间隔30°夹角，三对球铰的位置以120°旋转对称分布；
在医生根据脚踝康复医疗过程转动患者脚踝时，所述六套缸保持随动状态，所述计算机控制与采集系统采集并存储每套缸的运动过程；在所述脚踝康复医疗过程完成后，所述计算机控制与采集系统根据存储的运动过程控制三套缸的运动，复现下平台的转动过程；
其中在复现下平台的转动过程时，所述计算机控制与采集系统可以调节转动速度的快慢。
2.根据权利要求1所述的六自由度可穿戴式脚踝康复医疗机器人，其中所述缸是气动缸、液压缸或电动缸。

一种六自由度可穿戴式脚踝康复医疗机器人\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种可穿戴式脚踝康复医疗机器人，属于康复医疗机器人领域。\n背景技术\n[0002] 脚踝扭伤是一种十分常见的体育伤病，当脚踝或足部因为翻转、扭伤或受到过大外力时，踝关节周围的韧带也会受到过度拉伸或被撕裂。当扭伤严重时，在康复的过程需要进行脚踝灵活性训练，即让踝关节在一定范围内进行运动。目前，在中国脚踝康复训练主要靠医师用手对患者脚踝部位以一定的方向和速度反复转动，医疗的过程也主要由医师的经验来把握。然而，医师数量有限而患者较多时便不易使所有患者都得到及时的康复训练，此时如果借助医疗机械进行康复便有很大希望提高康复的效率和效果。随着医疗机械的不断发展，很多研究者利用机械学、力学、电磁学、机器人学等学科的研究成果，结合医学理论设计出新的康复训练方法。康复医疗机器人作为一种自动化康复医疗设备可以帮助患者进行科学而有效的康复训练来恢复其损伤部位的运动机能。目前国内针对脚踝康复的已有一些专利成果，而这些成果均有一定地局限性，如能够运动的自由度较少、模拟医师治疗过程能力不足、固定不够平稳、穿戴不够舒适等。\n发明内容\n[0003] 发明主要针对于脚踝扭伤患者，并基于六自由度并联机构，结合机器人学、人体运动学、人机工程学等理论进行机械设计，提出一种具有多自由度训练方向、多模态训练形式、穿戴式的脚踝康复医疗机器人。\n[0004] 为了达到上述目的，本发明提出方案如下：\n[0005] 本发明六自由度可穿戴式脚踝康复医疗机器人的机械结构包括上平台(定平台)、下平台(动平台)、底座、缸(气动缸、液压缸或电动缸)。上平台由中心套筒和外侧刚性结构固连而组成，通过穿戴固定在患者腿部；下平台与鞋固定相连，通过穿戴固定患者的脚部；\n六个缸分别通过虎克铰和球铰与上、下平台相连接；底座上端的长槽与上平台周围的滑块滑动连接，底座中心的凸台与下平台中心底部以球铰连接；六个缸的伸缩由计算机系统通过人机操作界面进行控制。可以实现的效果有：可使脚踝向各个方向转动、可穿戴(固定患者腿部和脚部)、可根据患者的腿长调整下平台高度。本发明主要组成部分及各组成部分功能如下：\n[0006] 1)上平台(定平台)：将患者腿部通过穿戴与医疗机器人固定。\n[0007] 2)下平台(动平台)：与患者扭伤脚所穿的鞋固定相连，通过穿戴固定患者的扭伤脚。\n[0008] 3)底座：调整上平台的高度来适合患者的腿长；通过一个球铰连接限制下平台只能围绕球铰转动。\n[0009] 4)缸(气动缸、液压缸或电动缸)：以六个虎克铰与上平台连接，以六个球铰与下平台连接，通过活塞杆的伸缩控制下平台相对于上平台的运动。\n[0010] 5)计算机控制与采集系统：由计算机系统通过人机操作界面对六个缸的活塞杆的伸缩运动进行控制与采集，进一步对下平台的运动进行控制与采集。\n附图说明\n[0011] 图1：本发明的结构示意图。\n[0012] 图2：本发明上/下平台的虎克铰/球铰分布示意图。\n[0013] 图3：本发明的实物模拟图。\n[0014] 图4、图5：本发明的使用模拟图。\n具体实施方式\n[0015] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。\n[0016] 本发明具体方案：\n[0017] 上平台由中心套筒和外侧刚性结构固连而组成，套筒的材质柔软而有弹性，通过穿戴固定在患者腿部，底座边缘有三条垂直向上伸展的条状固定模块，所述固定模块的上部具有凹槽，刚性结构的外端有三个滑块嵌于固定模块上部的三个凹槽，使上平台可以上下滑动，以调整上平台的高度，并可以通过螺钉将上平台固定于某一高度上。上平台的顶部与六个(三对)缸的缸筒一端各以一个虎克铰连接，上平台中三对虎克铰的位置以120°旋转对称分布，每对虎克铰的位置相对上平台中心约有30°的夹角。\n[0018] 下平台与六个(三对)缸的活塞杆一端各以一个球铰连接，下平台中三对球铰的位置以120°旋转对称分布，每对虎克铰的位置相对下平台中心约有30°的夹角。下平台与鞋固定相连，通过穿戴固定患者的脚部。\n[0019] 底座中心有一凸台，该凸台与下平台中心底部以球铰连接；所述底座上端的长槽与上平台周围的滑块滑动连接，根据患者的腿长可调整上平台的高度，并可以通过螺钉将上平台与底座固定。\n[0020] 对于六个缸，每个缸的两端分别与一个球铰和一个虎克铰相连。具体来说如附图中图2所示，缸1与球铰1和虎克铰1相连，缸2与球铰2和虎克铰2相连，缸,3与球铰3和虎克铰\n3相连，缸,4与球铰4和虎克铰4相连，缸,5与球铰5和虎克铰5相连，缸,6与球铰6和虎克铰6相连。\n[0021] 计算机控制与采集系统，可用于控制所述六套缸的伸缩，并且可采集记录缸的运动过程，将采集到的运动过程信息存档到数据库文件中，之后能够根据所述数据库文件控制缸的伸缩，从而复现缸的运动过程。\n[0022] 六个缸的伸缩由计算机系统通过人机操作界面进行控制，可以完成对缸的伸缩的主动加载控制(直接控制缸的运动来使患者脚踝转动)、被动加载信息采集(医师对患者脚踝进行转动时，计算机记录每个缸的运动过程)、对采集的信息进行主动复现控制(复现所记录的每个缸的运动过程以模拟医师的治疗过程)。\n[0023] 本发明工作原理如下：\n[0024] 使用本发明时，先将患者腿部从套筒中伸入固定在腿部，调节上平台的高度将患者穿戴的鞋固定在下平台上，位置调整合适之后，通过螺钉将上平台和底座固定。由医师根据脚踝康复医疗过程转动患者脚踝，医疗机器人的6个缸保持随动状态，并通过计算机采集并存储每个缸的运动过程。将整个过程采集完毕之后，根据采集到的信息对6个缸进行主动加载，复现下平台的转动过程，实现对医师康复医疗过程的模拟。通过调节缸的加载频率可以调节医疗过中转动速度的快慢。再次使用时，可以直接根据已存档的文件直接进行康复医疗。