基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人

1.本发明属于康复机器人技术领域，特别涉及一种基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人。


背景技术：

2.踝关节是人体最复杂的关节之一，主要起到承受身体重量与参与运动活动的功能，对于人体活动的平衡、支撑起到关键作用。伴随着愈加严重的老龄化现象，由于人体机能的退化而引起的人体下肢运动障碍的患者数量也越来越多，尤其是以脑卒中为主的高发类疾病，严重危害着中老年人的健康与生命。目前，针对踝关节损伤的治疗已经形成了较为完备的体系，但是康复医师主导下的踝关节康复训练是一项劳动密集型任务，且患者的恢复情况取决于康复训练的效果，在进行单一重复的辅助训练过程中，容易导致医生的疲劳，且由于缺乏客观的数据监测与反馈，医生对患者的恢复状况依赖于主观判断，并且一名专业的康复医生需要经过漫长的培训，人才数量缺口大，可能导致患者得不到及时医治。
3.近年来，为了应对传统踝关节康复训练方法的不足，康复机器人技术逐渐发展起来。使用康复机器人帮助患者进行康复训练不仅可以解决医生劳动强度大的问题，还可以根据患者的实际情况调整训练强度，提高康复效率。康复机器人技术已经取得了很大进步，但仍然存在以下主要问题：现有的外骨骼型康复机器人仅为踝关节提供一个或者两个自由度，使得康训练复效果受限；部分坐卧式踝关节康复机器人在使用时存在机器人运动关节与踝关节不重合的问题，会对使用者造成二次损伤；现有踝关节康复机器人大多为刚性结构，容易对关节产生刚性冲击，造成二次伤害；并且现有的踝关节康复机器人大多数不具备力反馈功能。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，质量轻、体积小，索驱动方式对使用者的刚性冲击更小，且张拉整体的高顺应性、安全性适合与人体的踝关节进行交互。
5.方案是一种基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，其包括底座平台、固定机架、驱动单元、动平台、转向滑轮、动平台调整单元和连接绳索，所述固定机架以及动平台调整单元均设于所述底座平台上，且所述动平台设于所述固定机架内侧，所述转向滑轮两两对称安装在所述动平台两侧的侧板以及所述动平台的底侧；所述驱动单元包括第一驱动单元、第二驱动单元以及第三驱动单元，且所述第一驱动单元、第二驱动单元以及第三驱动单元均包括卷筒和驱动绳索，所述第一驱动单元设于所述固定机架的左侧，且所述第一驱动单元中驱动绳索缠绕于所述第一驱动单元中的卷筒上，所述驱动绳索的第一端通过第二弹簧与所述动平台前端连接盖板上的第一连接孔连接，且所述驱动绳索的第二端通过索连接钉与所述动平台后端连接盖板上的第一连接孔连接；所述第二驱动单元设于所述动平台的底部，且所述第二驱动单元中驱动绳索缠绕于所述第二驱动单元中的卷筒上，所述驱动
绳索的第一端经过所述第三转向滑轮以及第一转向滑轮换向后，通过索连接钉与所述固定机架左侧连接端盖上的连接孔连接，且所述驱动绳索的第二端经过所述第四转向滑轮以及第二转向滑轮换向后，通过索连接钉与所述固定机架右侧连接端盖上的连接孔连接；所述第三驱动单元设于所述固定机架的底部，且所述第三驱动单元中驱动绳索缠绕于所述第三驱动单元中的卷筒上，所述驱动绳索的第一端通过第三弹簧与所述动平台前端连接盖板上的第三连接孔连接，且所述驱动绳索的第二端通过索连接钉与所述动平台后端连接盖板上的第三连接孔连接；所述连接绳索缠绕于所述固定机架中的滚筒上，且所述连接绳索的第一端通过第一弹簧与所述动平台后端连接盖板上的第二连接孔连接，且所述连接绳索的第二端通过索连接钉与所述动平台前端连接盖板上的第二连接孔连接；在所述驱动单元、连接绳索、转向滑轮以及动平台调整单元的共同作用下，所述动平台能够实现踝关节康复训练所需的内收/外展运动、内翻/外翻运动以及背屈/趾屈运动。
6.优选地，所述底座平台包括防滑垫、底座和支撑腿，所述防滑垫设于所述底座的底部，且所述支撑腿的下端与所述底座的上端固定连接，所述支撑腿设置四组，且所述四组支撑腿分别对称设于所述底座的左前部位、左后部位、右前部位以及右后部位。
7.进一步地，所述固定机架包括支撑座、v型连杆、连接端盖、盖板、连接垫片、滚筒转轴、滚筒和滚筒支架，所述支撑座的底部与所述底座平台中支撑腿的上端连接，且所述v型连杆通过所述盖板以及连接垫片固定设于所述支撑座上，所述连接端盖分别设于所述v型连杆的左右两端，且所述连接端盖的上端设有连接孔，所述滚筒支架设于所述v型连杆右端的连接端盖上，所述滚筒设于所述滚筒转轴上，且所述滚筒转轴通过轴承转动支撑于所述滚筒支架上。
8.进一步地，所述动平台包括两个连接盖板、中间平台、脚踏板和两个侧板，所述两个侧板对称设于所述中间平台的左右两侧，且所述两个侧板的下端与所述中间平台固定连接，所述两个连接盖板对称设于所述中间平台的前后两端，且所述连接盖板上设有第一连接孔、第二连接孔以及第三连接孔，且所述第一连接孔、第二连接孔以及第三连接孔呈品字形状布置，分别位于所述连接盖板上端的两侧以及下端，所述脚踏板设于所述中间平台上，且所述脚踏板上设有用于固定的足背绑带以及脚踝弹性绑带。
9.优选地，所述转向滑轮包括四组转向滑轮，且所述四组转向滑轮包括第一转向滑轮、第二转向滑轮、第三转向滑轮和第四转向滑轮，所述第一组转向滑轮设于所述中间平台左侧侧板上，所述第二组转向滑轮设于所述中间平台右侧侧板上，所述第三组转向滑轮和第四组转向滑轮设于所述中间平台底侧的左侧和右侧，且所述第一组转向滑轮与第二组转向滑轮相对设置，所述第三组转向滑轮与第四组转向滑轮相对设置。
10.进一步地，所述第一驱动单元、第二驱动单元以及第三驱动单元还包括驱动电机、转轴、同步带和电机支架，且所述驱动电机设于所述电机支架的上端，所述转轴通过轴承转动支撑于所述电机支架的下端，所述卷筒设于所述转轴上，且所述转轴的输入轴与所述驱动电机的输出轴之间通过同步带传动连接。
11.优选地，所述第二驱动单元中的驱动绳索包括第一段绳索、第二段绳索以及第三段绳索，所述第一段绳索缠绕于所述卷筒上，且所述第一段绳索的第一端经过所述第三转向滑轮换向后与第四弹簧的第一端连接，所述第四弹簧的第二端与所述第二段绳索的第一端连接，且所述第二段绳索的第二端经过所述第一转向滑轮换向后，通过索连接钉与所述
固定机架左侧连接端盖上的连接孔连接，所述第一段绳索的第二端经过所述第四转向滑轮换向后与第五弹簧的第一端连接，所述第五弹簧的第二端与所述第三段绳索的第一端连接，且所述第三段绳索的第二端通过所述第二转向滑轮换向后，通过索连接钉与所述固定机架右侧连接端盖上的连接孔连接。
12.进一步地，所述动平台调整单元包括索连接轴、鲍登线、导向螺钉、线轮、蜗轮蜗杆装置和电机，所述蜗轮蜗杆装置设于所述底座平台上，且所述蜗轮蜗杆装置的输入轴与所述电机的输出轴连接，所述线轮设于所述蜗轮蜗杆装置的输出轴上，所述索连接轴设于所述第二组驱动单元中电机支架的下端，且所述导向螺钉分别设于所述固定机架中的v型连杆上以及所述底座平台上靠近所述蜗轮蜗杆装置的位置，所述鲍登线的第一端与所述索连接轴固定连接，且所述鲍登线的第二端穿过设于所述导向螺钉缠绕于所述线轮上，通过所述电机的输出轴转动，驱动所述蜗轮蜗杆装置转动，进而带动所述线轮转动，实现所述鲍登线在所述线轮上的缠绕与释放。
13.优选地，所述第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧、第四弹簧以及第五弹簧的初始状态为大于原始长度的拉伸状态，能保证在工作过程中与之相连的绳索始终处于张紧状态。
14.优选地，所述第一驱动单元、第二驱动单元以及第三驱动单元中的驱动电机均安装有编码器，当将足部放置于所述动平台上进行主动康复训练时，所述驱动电机上的编码器实时采集踝关节康复机器人当前运行速度的运行位置，将采集到所述驱动电机的转角与转速信息作为力反馈信息，控制所述第一驱动单元、第二驱动单元以及第三驱动单元中驱动电机的输出转矩，通过所述驱动绳索、连接绳索、转向滑轮以及弹簧的作用，将所述驱动电机的驱动力传递至所述动平台处，实现力反馈功能。
15.本发明的特点和有益效果是：
16.1、本发明提供的一种基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，考虑到传统的刚性机械结构不仅整体质量较大，并且其能耗大，灵活度与安全性有限，而张拉结构作为一种刚柔耦合结构，不仅具有刚性的支撑结构，又具有柔性的自适应特性，其可控性好质量小，且生物力学相关领域研究表明，人体的骨骼-韧带-肌肉系统可被视作张拉结构，故采用张拉结构设计踝关节康复机器人更加符合人体踝关节生理特性。
17.2、本发明提供的一种基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，刚性驱动方式的柔顺性差、惯性大，康复训练过程中的刚性连杆易产生冲击，造成患者不适。本发明采用索驱动方式，其质量轻、转动惯量小、柔顺性好，可提高运动传递的灵活性与精确度，并且索驱动可以避免刚性杆件对患者关节的刚性冲击，提高了安全性。
18.3、本发明提供的一种基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，可为踝关节损伤患者提供内收/外展、内翻/外翻以及背屈/趾屈三种运动模式，使得踝关节得到更加全面的康复训练，同时通过驱动绳索与动平台调整装置的配合使用，使得患者踝关节运动中心与机器人的旋转中心相互重合，避免患者在康复训练过程中造成二次伤害，提高整体机构的安全性。
19.4、本发明提供的一种基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，采用康复机器人自身的编码器作为获取运动信息的传感器，不依赖其他复杂的传感器，相较于其他踝关节康复机器人，添加力反馈功能能够提高患者进行康复训练时的针对性，改善康复训练效果。
附图说明
20.图1是本发明基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人的整体结构示意图；
21.图2是本发明的底座平台结构示意图；
22.图3是本发明的固定机架结构示意图；
23.图4是本发明的驱动单元局部结构示意图；
24.图5是本发明的动平台结构示意图；
25.图6是本发明的动平台调整单元结构示意图；
26.图7是本发明驱动单元整体结构的右后视图；
27.图8是本发明驱动单元整体结构的左前视图。
28.主要附图标记：
29.底座平台1；防滑垫11；底座12；支撑腿13；固定机架2；支撑座21；v型连杆22；连接端盖23；连接孔231；盖板24；连接垫片25；滚筒转轴26；滚筒27；滚筒支架28；驱动单元3；第一驱动单元301；第二驱动单元302；第三驱动单元303；驱动电机31；卷筒32；转轴33；同步带34；电机支架35；动平台4；索连接钉41；连接盖板42；第一连接孔421；第二连接孔422；第三连接孔423；中间平台43；脚踏板44；侧板45；转向滑轮5；第一转向滑轮501；第二转向滑轮502；第三转向滑轮503；第四转向滑轮504；动平台调整单元6；索连接轴61；鲍登线62；导向螺钉63；线轮64；蜗轮蜗杆装置65；电机66；驱动绳索7；第一段绳索71；第二段绳索72；第三段绳索73；弹簧8；第一弹簧81；第二弹簧82；第三弹簧83；第四弹簧84；第五弹簧85；连接绳索9。
具体实施方式
30.为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
31.本发明提供一种基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，如图1所示，其包括底座平台1、固定机架2、驱动单元3、动平台4、转向滑轮5、动平台调整单元6和连接绳索9。
32.如图2所示，底座平台1包括防滑垫11、底座12和支撑腿13，防滑垫11设于底座12的底部，在使用过程中防滑垫11直接与地面接触，为保证机器人平稳运行不产生移动，采用高摩擦力材料制作，例如橡胶。且支撑腿13的下端与底座12的上端固定连接，支撑腿13设置四组，且四组支撑腿13分别对称设于底座12的左前部位、左后部位、右前部位以及右后部位，例如，底座12上有螺纹孔，可利用螺钉将支撑腿13连接在底座12的方式将其固定。防滑垫11未直接固定在地面上，采用高摩擦材质防滑垫，不仅可以保证踝关节康复机器人运行过程中的稳定，还便于机器人的移动与转运，提高了便携性。
33.如图3所示，固定机架2设于底座平台1上，且固定机架2包括支撑座21、v型连杆22、连接端盖23、盖板24、连接垫片25、滚筒转轴26、滚筒27和滚筒支架28，支撑座21的底部与底座平台1中支撑腿13的上端连接，且v型连杆22通过盖板24以及连接垫片25固定设于支撑座21上，连接端盖23分别设于v型连杆22的左右两端，且连接端盖23的上端设有连接孔231，用于连接驱动绳索7，滚筒支架28设于v型连杆22右端的连接端盖23上，滚筒27设于滚筒转轴26上，且滚筒转轴26通过轴承转动支撑于滚筒支架28上，滚筒27上缠绕有连接绳索9，通过滚筒27的转动实现连接绳索9的缠绕或释放，实现传动功能。
34.在一种优选方式中，固定机架2的下端安装在底座平台1上，例如可以通过螺栓将固定机架2连接在底座平台上，或者，由于固定机架是固定的，可直接采用焊接的方法将其安装在底座平台1上；固定机架2起到连接作用，固定机架2的左右两端与底侧提供了连接孔，例如，固定机架2可以连接驱动电机3，可以连接驱动绳索7等组件，同时，固定机架2是张拉结构中的杆件部件，起到支撑作用。
35.如图4所示，驱动单元3包括第一驱动单元301、第二驱动单元302以及第三驱动单元303，且第一驱动单元301、第二驱动单元302以及第三驱动单元303均包括卷筒32和驱动绳索7，第一驱动单元301、第二驱动单元302以及第三驱动单元303还包括驱动电机31、转轴33、同步带34和电机支架35，且驱动电机31设于电机支架35的上端，转轴33通过轴承转动支撑于电机支架35的下端，卷筒32设于转轴33上，且转轴33的输入轴与驱动电机31的输出轴之间通过同步带34传动连接。其中，驱动电机31的输出轴与同步带34上的小带轮连接，同步带34上的大带轮与转轴33的输入轴连接。驱动绳索7长绕在卷筒32上，通过驱动电机31的输出轴转动带动同步带34运动，同步带的运动会带动转轴33的转动，进而带动卷筒32的转动实现驱动绳索7的缠绕或释放，实现驱动功能。
36.如图5所示，动平台4设于固定机架2内侧，且动平台4包括两个连接盖板42、中间平台43、脚踏板44和两个侧板45，两个侧板45对称设于中间平台43的左右两侧，且两个侧板45的下端与中间平台43固定连接，两个连接盖板42对称设于中间平台43的前后两端，且连接盖板42上设有第一连接孔421、第二连接孔422以及第三连接孔423，且第一连接孔421、第二连接孔以422及第三连接孔423呈品字形状布置，分别位于连接盖板42上端的两侧以及下端，脚踏板44设于中间平台43上，且脚踏板44上设有用于固定的足背绑带以及脚踝弹性绑带，用于将使用者的足部固定在动平台4上。通过驱动绳索7连接，在驱动单元、连接绳索9、转向滑轮5以及动平台4调整单元的共同作用下，动平台4能够实现踝关节康复训练所需的内收/外展运动、内翻/外翻运动以及背屈/趾屈运动。
37.如图5所示，转向滑轮5两两对称安装在动平台4两侧的侧板以及动平台4的底侧，且转向滑轮5包括四组转向滑轮，且四组转向滑轮包括第一转向滑轮501、第二转向滑轮502、第三转向滑轮503和第四转向滑轮504，第一组转向滑轮501设于中间平台43左侧侧板45上，第二组转向滑轮502设于中间平台43右侧侧板45上，第三组转向滑轮503和第四组转向滑轮504设于中间平台43底侧的左侧和右侧，且第一组转向滑轮501与第二组转向滑轮502相对设置，第三组转向滑轮503与第四组转向滑轮504相对设置。通过四组转向滑轮改变驱动绳索7的运动方向，这样使机器人驱动结构的布线更为合理，机器人整体结构更为紧凑，驱动绳索7的传动更为顺畅。
38.如图6所示，动平台调整单元6均设于底座平台1上，且动平台调整单元6包括索连接轴61、鲍登线62、导向螺钉63、线轮64、蜗轮蜗杆装置65和电机66，蜗轮蜗杆装置65设于底座平台1上，且蜗轮蜗杆装置65的输入轴与电机66的输出轴连接，线轮64设于蜗轮蜗杆装置65的输出轴上，索连接轴61设于第二组驱动单元302中电机支架35的下端，且导向螺钉63分别设于固定机架2中的v型连杆22上以及底座平台1上靠近蜗轮蜗杆装置65的位置，鲍登线62的第一端与索连接轴61固定连接，且鲍登线62的第二端穿过设于导向螺钉63缠绕于线轮64上，通过电机66的输出轴转动，驱动蜗轮蜗杆装置65转动，进而带动线轮64转动，实现鲍登线62在线轮64上的缠绕与释放。可以理解的是，在进行康复训练时，动平台调整单元6的
作用是通过鲍登线62对动平台4施加一个垂直方向的力，来保证在运动过程中使用者的踝关节与机器人的旋转中心相互重合。
39.如图7和图8所示，第一驱动单元301设于固定机架2的左侧，且第一驱动单元301中驱动绳索7缠绕于第一驱动单元中的卷筒32上，驱动绳索7的第一端通过第二弹簧82与动平台4前端连接盖板42上的第一连接孔421连接，且驱动绳索7的第二端通过索连接钉41与动平台4后端连接盖板42上的第一连接孔421连接，在第一组驱动单元301以及动平台调整单元6共同控制下，使动平台4完成内收/外展运动。
40.如图7和图8所示，第二驱动单元302设于动平台4的底部，且第二驱动单元302中驱动绳索7缠绕于第二驱动单元302中的卷筒32上，驱动绳索7的第一端经过第三转向滑轮503以及第一转向滑轮501换向后，通过索连接钉41与固定机架2左侧连接端盖23上的连接孔231连接，且驱动绳索7的第二端经过第四转向滑轮504以及第二转向滑轮502换向后，通过索连接钉41与固定机架1右侧连接端盖23上的连接孔231连接，在第二组驱动单元301以及动平台调整单元6共同作用下，使动平台完成内翻/外翻运动。
41.在一种优选方式中，第二驱动单元302中的驱动绳索7包括第一段绳索71、第二段绳索72以及第三段绳索73，第一段绳索71缠绕于卷筒32上，且第一段绳索71的第一端经过第三转向滑轮503换向后与第四弹簧84的第一端连接，第四弹簧84的第二端与第二段绳索72的第一端连接，且第二段绳索72的第二端经过第一转向滑轮501换向后，通过索连接钉41与固定机架2左侧连接端盖23上的连接孔231连接，第一段绳索71的第二端经过第四转向滑轮504换向后与第五弹簧85的第一端连接，第五弹簧85的第二端与第三段绳索73的第一端连接，且第三段绳索73的第二端通过第二转向滑轮502换向后，通过索连接钉41与固定机架2右侧连接端盖23上的连接孔231连接。
42.如图7和图8所示，第三驱动单元303设于固定机架2的底部，且第三驱动单元303中驱动绳索7缠绕于第三驱动单元中的卷筒32上，驱动绳索7的第一端通过第三弹簧83与动平台4前端连接盖板42上的第三连接孔423连接，且驱动绳索7的第二端通过索连接钉41与动平台4后端连接盖板42上的第三连接孔423连接。
43.如图7和图8所示，连接绳索9缠绕于固定机架2中的滚筒27上，且连接绳索9的第一端通过第一弹簧81与动平台4后端连接盖板42上的第二连接孔422连接，且连接绳索9的第二端通过索连接钉41与动平台4前端连接盖板42上的第二连接孔422连接。
44.在一种优选方式中，第一弹簧81、第二弹簧82、第三弹簧83、第四弹簧84以及第五弹簧85的初始状态为大于原始长度的拉伸状态，能保证在工作过程中与之相连的绳索始终处于张紧状态。
45.在一种优选方式中，第一驱动单元301、第二驱动单元302以及第三驱动单元303中的驱动电机31均安装有编码器，当动平台4运动时，编码器记录各个驱动电机31的运动信息，用于计算动平台4的空间位置，进行位姿监测。
46.如图1～图8所示，本发明的踝关节康复机器人具有被动康复训练与主动康复训练两种训练模式，当进行被动康复训练时，本发明的康复机器人会按照预定的运动路径，牵引患者完成康复训练，被动训练模式不仅可以将康复医师从一对一的康复训练过程中解放出来，还可以引导踝关节损伤患者完成安全可靠、针对性强的康复训练；当进行主动康复训练时，本发明的踝关节康复机器人可实现力反馈功能。具体而言，在进行主动训练时，患者将
足部置于动平台4顶端，带动动平台4主动完成康复训练相关动作，同时编码器将实时记录驱动电机31的转角与转速信息，并将上述信息作为实施力反馈指令所需的参考，最终控制驱动电机31的输出力矩，并经由驱动绳索7、连接绳索9、转向滑轮6以及弹簧8，将驱动电机的输出力矩作用在动平台4上，实现力反馈功能从而增加交互性，提高踝关节损伤康复训练的质量。
47.以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，其特征在于，其包括底座平台、固定机架、驱动单元、动平台、转向滑轮、动平台调整单元和连接绳索，所述固定机架以及动平台调整单元均设于所述底座平台上，且所述动平台设于所述固定机架内侧，所述转向滑轮两两对称安装在所述动平台两侧的侧板以及所述动平台的底侧；所述驱动单元包括第一驱动单元、第二驱动单元以及第三驱动单元，且所述第一驱动单元、第二驱动单元以及第三驱动单元均包括卷筒和驱动绳索，所述第一驱动单元设于所述固定机架的左侧，且所述第一驱动单元中驱动绳索缠绕于所述第一驱动单元中的卷筒上，所述驱动绳索的第一端通过第二弹簧与所述动平台前端连接盖板上的第一连接孔连接，且所述驱动绳索的第二端通过索连接钉与所述动平台后端连接盖板上的第一连接孔连接；所述第二驱动单元设于所述动平台的底部，且所述第二驱动单元中驱动绳索缠绕于所述第二驱动单元中的卷筒上，所述驱动绳索的第一端经过所述第三转向滑轮以及第一转向滑轮换向后，通过索连接钉与所述固定机架左侧连接端盖上的连接孔连接，且所述驱动绳索的第二端经过所述第四转向滑轮以及第二转向滑轮换向后，通过索连接钉与所述固定机架右侧连接端盖上的连接孔连接；所述第三驱动单元设于所述固定机架的底部，且所述第三驱动单元中驱动绳索缠绕于所述第三驱动单元中的卷筒上，所述驱动绳索的第一端通过第三弹簧与所述动平台前端连接盖板上的第三连接孔连接，且所述驱动绳索的第二端通过索连接钉与所述动平台后端连接盖板上的第三连接孔连接；所述连接绳索缠绕于所述固定机架中的滚筒上，且所述连接绳索的第一端通过第一弹簧与所述动平台后端连接盖板上的第二连接孔连接，且所述连接绳索的第二端通过索连接钉与所述动平台前端连接盖板上的第二连接孔连接；在所述驱动单元、连接绳索、转向滑轮以及动平台调整单元的共同作用下，所述动平台能够实现踝关节康复训练所需的内收/外展运动、内翻/外翻运动以及背屈/趾屈运动。2.根据权利要求1所述的基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，其特征在于，所述底座平台包括防滑垫、底座和支撑腿，所述防滑垫设于所述底座的底部，且所述支撑腿的下端与所述底座的上端固定连接，所述支撑腿设置四组，且所述四组支撑腿分别对称设于所述底座的左前部位、左后部位、右前部位以及右后部位。3.根据权利要求1所述的基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，其特征在于，所述固定机架包括支撑座、v型连杆、连接端盖、盖板、连接垫片、滚筒转轴、滚筒和滚筒支架，所述支撑座的底部与所述底座平台中支撑腿的上端连接，且所述v型连杆通过所述盖板以及连接垫片固定设于所述支撑座上，所述连接端盖分别设于所述v型连杆的左右两端，且所述连接端盖的上端设有连接孔，所述滚筒支架设于所述v型连杆右端的连接端盖上，所述滚筒设于所述滚筒转轴上，且所述滚筒转轴通过轴承转动支撑于所述滚筒支架上。4.根据权利要求1所述的基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，其特征在于，所述动平台包括两个连接盖板、中间平台、脚踏板和两个侧板，所述两个侧板对称设于所述中间平台的左右两侧，且所述两个侧板的下端与所述中间平台固定连接，所述两个连接盖板对称设于所述中间平台的前后两端，且所述连接盖板上设有第一连接孔、第二连接孔以及第三连接孔，且所述第一连接孔、第二连接孔以及第三连接孔呈品字形状布置，分别位于所述连接盖板上端的两侧以及下端，所述脚踏板设于所述中间平台上，且所述脚踏板上设有
用于固定的足背绑带以及脚踝弹性绑带。5.根据权利要求4所述的基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，其特征在于，所述转向滑轮包括四组转向滑轮，且所述四组转向滑轮包括第一转向滑轮、第二转向滑轮、第三转向滑轮和第四转向滑轮，所述第一组转向滑轮设于所述中间平台左侧侧板上，所述第二组转向滑轮设于所述中间平台右侧侧板上，所述第三组转向滑轮和第四组转向滑轮设于所述中间平台底侧的左侧和右侧，且所述第一组转向滑轮与第二组转向滑轮相对设置，所述第三组转向滑轮与第四组转向滑轮相对设置。6.根据权利要求1所述的基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，其特征在于，所述第一驱动单元、第二驱动单元以及第三驱动单元还包括驱动电机、转轴、同步带和电机支架，且所述驱动电机设于所述电机支架的上端，所述转轴通过轴承转动支撑于所述电机支架的下端，所述卷筒设于所述转轴上，且所述转轴的输入轴与所述驱动电机的输出轴之间通过同步带传动连接。7.根据权利要求6所述的基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，其特征在于，所述第二驱动单元中的驱动绳索包括第一段绳索、第二段绳索以及第三段绳索，所述第一段绳索缠绕于所述卷筒上，且所述第一段绳索的第一端经过所述第三转向滑轮换向后与第四弹簧的第一端连接，所述第四弹簧的第二端与所述第二段绳索的第一端连接，且所述第二段绳索的第二端经过所述第一转向滑轮换向后，通过索连接钉与所述固定机架左侧连接端盖上的连接孔连接，所述第一段绳索的第二端经过所述第四转向滑轮换向后与第五弹簧的第一端连接，所述第五弹簧的第二端与所述第三段绳索的第一端连接，且所述第三段绳索的第二端通过所述第二转向滑轮换向后，通过索连接钉与所述固定机架右侧连接端盖上的连接孔连接。8.根据权利要求1所述的基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，其特征在于，所述动平台调整单元包括索连接轴、鲍登线、导向螺钉、线轮、蜗轮蜗杆装置和电机，所述蜗轮蜗杆装置设于所述底座平台上，且所述蜗轮蜗杆装置的输入轴与所述电机的输出轴连接，所述线轮设于所述蜗轮蜗杆装置的输出轴上，所述索连接轴设于所述第二组驱动单元中电机支架的下端，且所述导向螺钉分别设于所述固定机架中的v型连杆上以及所述底座平台上靠近所述蜗轮蜗杆装置的位置，所述鲍登线的第一端与所述索连接轴固定连接，且所述鲍登线的第二端穿过设于所述导向螺钉缠绕于所述线轮上，通过所述电机的输出轴转动，驱动所述蜗轮蜗杆装置转动，进而带动所述线轮转动，实现所述鲍登线在所述线轮上的缠绕与释放。9.根据权利要求1或7所述的基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，其特征在于，所述第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧、第四弹簧以及第五弹簧的初始状态为大于原始长度的拉伸状态，能保证在工作过程中与之相连的绳索始终处于张紧状态。10.根据权利要求1所述的基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，其特征在于，所述第一驱动单元、第二驱动单元以及第三驱动单元中的驱动电机均安装有编码器，当将足部放置于所述动平台上进行主动康复训练时，所述驱动电机上的编码器实时采集踝关节康复机器人当前运行速度的运行位置，将采集到所述驱动电机的转角与转速信息作为力反馈信息，控制所述第一驱动单元、第二驱动单元以及第三驱动单元中驱动电机的输出转矩，通过所述驱动绳索、连接绳索、转向滑轮以及弹簧的作用，将所述驱动电机的驱动力传递至
所述动平台处，实现力反馈功能。

技术总结
本发明涉及一种基于张拉结构的力反馈型踝关节康复机器人，其包括底座平台、固定机架、驱动单元、动平台、转向滑轮、动平台调整单元和连接绳索，固定机架以及动平台调整单元均设于底座平台上，且动平台设于固定机架内侧，转向滑轮两两对称设于动平台两侧的侧板上，驱动单元包括三组驱动单元，且三组分别设于固定机架的左侧、动平台的底部以及固定机架的底部，动平台与驱动单元中的驱动绳索以及连接绳索连接，安装在固定机架的内部，用于放置足部和执行终端运动轨迹。本发明通过力反馈，在驱动单元、连接绳索、转向滑轮以及动平台调整单元的共同作用下，动平台能够实现内收/外展运动、内翻/外翻运动以及背屈/趾屈运动。翻/外翻运动以及背屈/趾屈运动。翻/外翻运动以及背屈/趾屈运动。


技术研发人员：杨彦东 刘桐 汤熠恒
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/12