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1、(10)申请公布号 CN 102499854 A (43)申请公布日 2012.06.20 C N 1 0 2 4 9 9 8 5 4 A *CN102499854A* (21)申请号 201110369691.9 (22)申请日 2011.11.18 A61H 1/00(2006.01) (71)申请人上海电机学院 地址 200240 上海市闵行区江川路690号 (72)发明人印松 (74)专利代理机构上海思微知识产权代理事务 所(普通合伙) 31237 代理人郑玮 (54) 发明名称 并联结构式踝关节康复训练器 (57) 摘要 本发明涉及一种并联结构式踝关节康复训练 器，包括：大腿支撑座、。
2、大腿支撑座内杆、大腿支 撑座外杆、小腿连接套、足底支撑板、基板；长度 能够伸缩的第一运动支链与第二运动支链，所述 第一运动支链与第二运动支链的上端均通过球铰 与足底支撑板连接，第一运动支链与第二运动支 链的下端均通过虎克铰与基板连接；以及第三运 动支链，所述第三运动支链的一端能够绕自身延 伸方向回转，所述第三运动支链的上端以及下端 分别通过虎克铰与足底支撑板以及基板连接。本 发明采用2-UPS/UCU/S型并联机构，具有三个转 动自由度，且其转动中心为踝关节，真正实现踝关 节背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动， 仿生性高；结构对称，运动实现简单。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页。
3、 说明书4页 附图4页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 1/1页 2 1.一种并联结构式踝关节康复训练器，包括：大腿支撑座、大腿支撑座内杆、大腿支撑 座外杆、小腿连接套、足底支撑板、基板，其中，大腿支撑座外杆与基板固定连接；大腿支撑 座与大腿支撑座内杆固定连接，大腿支撑座内杆连接在所述大腿支撑座外杆上；小腿连接 套与大腿支撑座外杆固定连接，其特征在于，还包括长度能够伸缩的第一运动支链与第二 运动支链，所述第一运动支链与第二运动支链的上端均通过球铰与足底支撑板连接，第一 运动支链与第二运动支链的下端均通过虎克铰与基板连。
4、接；以及第三运动支链，所述第三 运动支链的一端能够绕自身延伸方向回转，所述第三运动支链的上端以及下端分别通过虎 克铰与足底支撑板以及基板连接。 2.如权利要求1所述的并联结构式踝关节康复训练器，其特征在于：所述大腿支撑座 内杆与所述大腿支撑座外杆滑动连接，锁紧螺钉将所述大腿支撑座内杆与所述大腿支撑座 外杆固定连接。 3.如权利要求1所述的并联结构式踝关节康复训练器，其特征在于：所述的第一运动 支链包括：第一伸缩杆、第一直线轴承、第一外套筒、第一滚珠丝杠、第一滚珠螺母、第一轴 承座、第一轴承、第一丝杠同步带轮、第一连接套筒、第一虎克铰输出轴、第一虎克铰固定基 座、第一同步齿形带、第一电机同步带轮。
5、、第一电机连接板、第一伺服电机、第一导向键，其 中：第一伸缩杆套接在第一直线轴承内部，第一直线轴承安装于第一外套筒上端；第一伸 缩杆下端还与第一滚珠螺母固定连接，第一滚珠螺母螺纹套接在第一滚珠丝杠之上，且第 一滚珠螺母还与第一导向键固定连接，第一导向键与第一外套筒内壁滑动设置；第一滚珠 丝杠下端通过第一轴承支撑在第一轴承座之上，第一轴承座固定于第一外套筒下端，第一 丝杠同步带轮安装于第一滚珠丝杠下端，第一丝杠同步带轮通过第一同步齿形带与第一电 机同步带轮连接，第一电机同步带轮安装于第一伺服电机的输出轴，第一伺服电机通过第 一电机连接板与第一外套筒固定连接，第一外套筒、第一电机连接板通过第一连接。
6、套筒与 第一虎克铰输出轴固定连接；第一虎克铰输出轴转动连接在第一虎克铰固定基座上，第一 虎克铰固定基座固定在基板上。 4.如权利要求3所述的并联结构式踝关节康复训练器，其特征在于：所述的第二运动 支链与第一运动支链结构相同。 5.如权利要求1所述的并联结构式踝关节康复训练器，其特征在于：所述的第三运动 支链包括：第三上虎克铰、第三伸缩杆、第三直线轴承、第三外套筒、回转轴、第三轴承座、第 三轴承、回转轴同步带轮、第三连接套筒、第三下虎克铰输出轴、第三下虎克铰固定基座、第 三同步齿形带、第三电机同步带轮、第三电机连接板、第三伺服电机，其中：第三伸缩杆套接 在第三直线轴承内部，第三直线轴承安装于第三。
7、外套筒上端；第三伸缩杆下端还与回转轴 通过棱柱副套接；回转轴下端通过第三轴承支撑在第三轴承座之上，第三轴承座固定于第 三外套筒下端，回转轴同步带轮安装于回转轴下端，回转轴同步带轮通过第三同步齿形带 与第三电机同步带轮连接，第三电机同步带轮安装于第三伺服电机的输出轴，第三伺服电 机通过第三电机连接板与第三外套筒固定连接，第三外套筒、第三电机连接板通过第三连 接套筒与第三下虎克铰输出轴固定连接；第三伸缩杆的上端通过第三上虎铰与足底支撑板 铰接；第三下虎克铰输出轴转动连接在第三下虎克铰固定基座上，第三下虎克铰固定基座 固定在基板上。 权 利 要 求 书CN 102499854 A 1/4页 3 并联。
8、结构式踝关节康复训练器 技术领域 0001 本发明涉及的是一种康复工程技术领域的装置，具体是一种并联结构式踝关节康 复训练器。 背景技术 0002 每年世界上都有大量的人因为事故或疾病等原因导致身体残疾或瘫痪，失去正常 的行动能力。临床医学经验表明，正确、科学的康复训练对肢体运动功能恢复和提高能够起 到非常重要的作用。目前，肢体康复训练主要是通过专业护理人员人工模拟患者肢体的关 节运动实现，这种方法对专业护理人员的素质要求较高，专业护理人员的劳动强度较大，对 患者而言，医疗费用高，灵活性较差。为了解决这一问题，各种主动式康复设备被设计开发 出来，以提高康复训练的有效性、灵活性和全面性。 000。
9、3 本发明主要针对的是踝关节的康复训练设备。由人体解剖学可知，踝关节可视为 绕定点转动的球面关节，能够实现背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动。目前踝关 节康复训练器的主要结构形式为单自由度的转动铰链，仅实现踝关节的背伸/跖屈运动， 难以满足踝关节全面康复训练的要求。经对现有相关技术文献的检索发现，中国专利申请 号为：200810034002.7，名称为“并联式多自由度假肢外骨骼踝关节”，该外骨骼踝关节虽然 采用了多自由度并联机构，但是3-RPS型并联机构仅能实现两个方向的转动，且转动中心 不固定。中国专利申请号为：200820073836.4，名称为“一种踝关节康复机器人”，该踝关节 。
10、康复机器人虽然采用了具有三个转动自由度的并联机构，但是其固定的转动中心与踝关节 并不重合，因此难以有效实现踝关节的康复训练。中国专利申请号为：201010600198.9，名 称为“并联式踝关节康复训练器”，该康复训练器的转动中心与踝关节重合，但仅实现背伸/ 跖屈、内翻/外翻运动，因此康复训练并不全面。 发明内容 0004 本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点，提供一种多自由度踝关节康 复训练器，能够满足踝关节三个方向转动的需要，且转动中心与踝关节重合，提供主动驱动 帮助患者进行踝关节康复训练。 0005 本发明是通过以下技术方案实现的：一种并联结构式踝关节康复训练器，包括： 大腿支撑。
11、座、大腿支撑座内杆、大腿支撑座外杆、小腿连接套、足底支撑板、基板，其中，大腿 支撑座外杆与基板固定连接；大腿支撑座与大腿支撑座内杆固定连接，大腿支撑座内杆连 接在所述大腿支撑座外杆上；小腿连接套与大腿支撑座外杆固定连接，其特征在于，还包括 长度能够伸缩的第一运动支链与第二运动支链，所述第一运动支链与第二运动支链的上端 均通过球铰与足底支撑板连接，第一运动支链与第二运动支链的下端均通过虎克铰与基板 连接；以及第三运动支链，所述第三运动支链的一端能够绕自身延伸方向回转，所述第三运 动支链的上端以及下端分别通过虎克铰与足底支撑板以及基板连接。 0006 优选的，所述大腿支撑座内杆与所述大腿支撑座外杆。
12、滑动连接，锁紧螺钉将所述 说 明 书CN 102499854 A 2/4页 4 大腿支撑座内杆与所述大腿支撑座外杆固定连接。 0007 优选的，所述的第一运动支链包括：第一伸缩杆、第一直线轴承、第一外套筒、第一 滚珠丝杠、第一滚珠螺母、第一轴承座、第一轴承、第一丝杠同步带轮、第一连接套筒、第一 虎克铰输出轴、第一虎克铰固定基座、第一同步齿形带、第一电机同步带轮、第一电机连接 板、第一伺服电机、第一导向键，其中：第一伸缩杆套接在第一直线轴承内部，第一直线轴承 安装于第一外套筒上端；第一伸缩杆下端还与第一滚珠螺母固定连接，第一滚珠螺母螺纹 套接在第一滚珠丝杠之上，且第一滚珠螺母还与第一导向键固定连。
13、接，第一导向键与第一 外套筒内壁滑动设置；第一滚珠丝杠下端通过第一轴承支撑在第一轴承座之上，第一轴承 座固定于第一外套筒下端，第一丝杠同步带轮安装于第一滚珠丝杠下端，第一丝杠同步带 轮通过第一同步齿形带与第一电机同步带轮连接，第一电机同步带轮安装于第一伺服电机 的输出轴，第一伺服电机通过第一电机连接板与第一外套筒固定连接，第一外套筒、第一电 机连接板通过第一连接套筒与第一虎克铰输出轴固定连接；第一虎克铰输出轴转动连接在 第一虎克铰固定基座上，第一虎克铰固定基座固定在基板上。所述的第二运动支链与第一 运动支链结构相同。 0008 优选的，所述的第三运动支链包括：第三上虎克铰、第三伸缩杆、第三直线。
14、轴承、第 三外套筒、回转轴、第三轴承座、第三轴承、回转轴同步带轮、第三连接套筒、第三下虎克铰 输出轴、第三下虎克铰固定基座、第三同步齿形带、第三电机同步带轮、第三电机连接板、第 三伺服电机，其中：第三伸缩杆套接在第三直线轴承内部，第三直线轴承安装于第三外套筒 上端；第三伸缩杆下端还与回转轴通过棱柱副套接；回转轴下端通过第三轴承支撑在第三 轴承座之上，第三轴承座固定于第三外套筒下端，回转轴同步带轮安装于回转轴下端，回转 轴同步带轮通过第三同步齿形带与第三电机同步带轮连接，第三电机同步带轮安装于第三 伺服电机的输出轴，第三伺服电机通过第三电机连接板与第三外套筒固定连接，第三外套 筒、第三电机连接板。
15、通过第三连接套筒与第三下虎克铰输出轴固定连接；第三伸缩杆的上 端通过第三上虎铰与足底支撑板铰接；第三下虎克铰输出轴转动连接在第三下虎克铰固定 基座上，第三下虎克铰固定基座固定在基板上。 0009 本发明采用2-UPS/UCU/S型并联机构，具有三个转动自由度，且其转动中心为踝 关节，真正实现踝关节背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动，仿生性高；结构对称， 运动实现简单。 附图说明 0010 图1是本发明的整体结构示意图； 0011 图2是第一运动支链的结构示意图； 0012 图3是第三运动支链的结构示意图； 0013 图4是本发明的等效2-UPS/UCU/S型并联机构原理图。 具体实施方。
16、式 0014 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。 说 明 书CN 102499854 A 3/4页 5 0015 如图1所示，本实施例包括：大腿支撑座1、大腿支撑座内杆2、锁紧螺钉3、大腿支 撑座外杆4、小腿连接套10、足底支撑板9、第一运动支链7、第二运动支链8、第三运动支链 6、基板5，其中：大腿支撑座外杆4与基板5固定连接；大腿支撑座1与大腿支撑座内杆2 固定连接，大腿支撑座内杆2与所述大腿支撑座外杆4滑动连接，具体而言，大腿支撑座内 杆2在大腿支撑座外杆4中。
17、伸缩以调整合适的大腿支撑高度，并通过锁紧螺钉3锁紧固定； 小腿连接套10与大腿支撑座外杆4固定连接；长度能够伸缩的第一运动支链7、第二运动 支链8及第三运动支链6的上端均与足底支撑板9连接，第一运动支链7、第二运动支链8 及第三运动支链9的下端均与基板5连接。 0016 如图2所示的第一运动支链7，图中左侧为第一运动支链7的上端。所述的第一运 动支链7包括：第一伸缩杆11、第一直线轴承12、第一外套筒13、第一滚珠丝杠14、第一滚 珠螺母15、第一轴承座16、第一轴承17、第一丝杠同步带轮18、第一连接套筒19、第一虎克 铰输出轴20、第一虎克铰固定基座21、第一同步齿形带22、第一电机同步带。
18、轮23、第一电机 连接板24、第一伺服电机25、第一导向键26，其中：第一伸缩杆11套接在第一直线轴承12 内部，第一直线轴承12安装于第一外套筒13上端；第一伸缩杆11下端还与第一滚珠螺母 15固定连接，第一滚珠螺母15螺纹套接在第一滚珠丝杠14之上，且第一滚珠螺母15与第 一导向键26固定连接，第一导向键26与第一外套筒13内壁滑动设置，则第一滚珠螺母15 也与第一外套筒13内壁滑动设置；第一滚珠丝杠14下端通过第一轴承17支撑在第一轴承 座16之上，第一轴承座16固定于第一外套筒13下端，第一丝杠同步带轮18安装于第一滚 珠丝杠14下端，第一丝杠同步带轮18通过第一同步齿形带22与第一电。
19、机同步带轮23连 接，第一电机同步带轮23安装于第一伺服电机25的输出轴，第一伺服电机25通过第一电 机连接板24与第一外套筒13固定连接，第一外套筒13、第一电机连接板24通过第一连接 套筒19与第一虎克铰输出轴20固定连接。第一伸缩杆11的上端通过第一球铰43与足底 支撑板9铰接；第一虎克铰输出轴20转动连接在第一虎克铰固定基座21上，第一虎克铰固 定基座21固定在基板5上。 0017 所述的第二运动支链8与第一运动支链7结构相同，且第二运动支链8的上端通 过第二球铰45与足底支撑板9铰接、下端通过第二虎克铰固定基座44固定在基板5上。 0018 如图3所示的第三运动支链6，图中右侧为第一。
20、运动支链6的上端。所述的第三运 动支链6包括：第三上虎克铰27、第三伸缩杆28、第三直线轴承29、第三外套筒30、回转轴 31、第三轴承座32、第三轴承33、回转轴同步带轮34、第三连接套筒35、第三下虎克铰输出 轴36、第三下虎克铰固定基座37、第三同步齿形带38、第三电机同步带轮39、第三电机连接 板40、第三伺服电机41，其中：第三伸缩杆28套接在第三直线轴承29内部，第三直线轴承 29安装于第三外套筒30上端；第三伸缩杆28下端还与回转轴31通过棱柱副套接；回转轴 31下端通过第三轴承33支撑在第三轴承座32之上，第三轴承座32固定于第三外套筒30 下端，回转轴同步带轮34安装于回转轴。
21、31下端，回转轴同步带轮34通过第三同步齿形带 38与第三电机同步带轮39连接，第三电机同步带轮39安装于第三伺服电机41的输出轴， 第三伺服电机41通过第三电机连接板40与第三外套筒30固定连接，第三外套筒30、第三 电机连接板40通过第三连接套筒35与第三下虎克铰输出轴36固定连接。第三伸缩杆28 的上端通过第三上虎铰27与足底支撑板9铰接；第三下虎克铰输出轴36转动连接在第三 下虎克铰固定基座37上，第三下虎克铰固定基座37固定在基板5上。 说 明 书CN 102499854 A 4/4页 6 0019 所述第一运动支链7、第二运动支链8、第三运动支链6分别通过第一球铰43、第二 球铰4。
22、5、第三上虎克铰27与足底支撑板9铰接。 0020 所述第一运动支链7、第二运动支链8、第三运动支链6分别通过第一虎克铰固定 基座21(42)、第二虎克铰固定基座44、第三下虎克铰固定基座37与基板5固定连接。 0021 本实施例通过采用上述结构，形成2-UPS/UCU/S型并联机构(其中U-虎克铰， P-移动副，S-球铰，C-圆柱副)，其等效结构示意图如图4所示，第一运动支链7、第二运动 支链8、第三运动支链6的下端在点B1、B2、B3处通过虎克铰与静平台相连；第一运动支链 7、第二运动支链8上端在点P1、P2处通过球铰与动平台相连，第三运动支链6上端在O点 通过虎克铰与动平台相连；第一运动。
23、支链7、第二运动支链8本身形成移动副，第三运动支 链6本身为圆柱副；通过上述3套结构可在动平台与静平台之间形成等效球铰46(即所谓 的2-UPS/UCU/S)，球铰46为静平台和动平台之间的约束铰链，即动平台只能相对静平台转 动。通过改变三个运动支链的长度以驱动动平台产生相对于静平台的运动，在球铰46的约 束下，动平台能够实现绕x轴、y轴和z轴的转动。本实施例将静平台选为基板5，动平台选 为足底支撑板9，而约束球铰46选为训练者的踝关节，因此动平台绕球铰46的转动就等效 为踝关节的背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三种运动。 0022 本实施例工作时，训练者呈坐姿，大腿放置在大腿支撑座1上，脚。
24、放置于足底支撑 板9，小腿与小腿连接套10连接。对于第一运动支链、第二运动支链，由伺服电机通过电机 同步带轮和丝杠同步带轮带动滚珠丝杠转动，进而实现滚珠螺母和伸缩杆产生相对于外套 筒的伸缩运动；对于第三运动支链，由伺服电机通过电机同步带轮和回转轴同步带轮带动 回转轴和伸缩杆转动，进而通过上虎克铰实现动平台的回转。在对整个康复训练器进行运 动控制时，将球铰46建立在训练者的踝关节处，对于每个训练者而言，需要具体测量其体 格参数才能得到其踝关节相对于足底支撑板9的位置，从而建立球铰46。在踝关节的约束 下，当第一运动支链、第二运动支链伸缩方向相同时，产生踝关节的背伸/跖屈运动；当第 一运动支链、第。
25、二运动支链伸缩方向相反时，产生踝关节的内翻/外翻运动；当第三运动支 链回转时，产生踝关节的内旋/外旋运动。 0023 本实施例的踝关节康复训练器由于能够实现三个转动，且转动中心与踝关节重 合，因而能够逼真模拟踝关节的背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋运动，提高了踝关节康 复训练的全面性和有效性。第一运动支链、第二运动支链成对称布置，能够以简单的方式实 现三种运动。 0024 本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域 技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的 保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。 说 明 书CN 102499854 A 1/4页 7 图1 说 明 书 附 图CN 102499854 A 2/4页 8 图2 说 明 书 附 图CN 102499854 A 3/4页 9 图3 说 明 书 附 图CN 102499854 A 4/4页 10 图4 说 明 书 附 图CN 102499854 A 10 。