[0001] 本发明涉及一种足踝冗余并联牵引装置，具体来说，涉及一种用于辅助畸形足踝部位完成解剖关系复位和形态重建的运动学冗余并联机构。

[0002] 足踝畸形发病率高且畸形表现复杂，严重影响了患者身体稳定性和行走能力。并联牵引装置可以作为介入式医疗器械用于治疗足踝畸形，具有创伤性小、并发症少等优点。使用并联牵引装置执行足踝畸形的矫治过程中，当需矫治的畸形量大导致牵引杆所需行程跨度较大时，牵引杆的更换无法避免，进而导致矫治过程的中断；当机构奇异位形出现在所规划的矫治轨迹上时，需要重新进行轨迹规划，影响矫治效果；当发生伸缩支撑杆与足踝软组织之间碰撞时，需要进行二次手术更换伸缩支撑杆在近端固定环上的安装位置，增加患者疼痛。现有并联牵引装置的构型均为机构学意义上的非运动冗余构型，此类并联牵引装置的位形与各支链位姿具有唯一对应关系，难以调节自身位形规避多类干涉因素。

[0003] 因此，需要针对现有问题，提出一种具有更大的位置与姿态工作空间，避免在足踝畸形矫治时发生伸缩支撑杆与足踝软组织之间碰撞、杆长行程超限和机构奇异位形干涉问题，同时具有结构简单、操作灵活的冗余并联牵引装置。

[0024] 下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

[0025] 参图1至图11所示，图1是冗余并联牵引装置的近端固定环组件，图2是冗余并联牵引装置的远端活动环组件，图3是冗余并联牵引装置的第一直线滑台，图4是冗余并联牵引装置的第二直线滑台，图5是冗余并联牵引装置的第一六自由度伸缩支撑杆，图6是冗余并联牵引装置的第二六自由度伸缩支撑杆，图7是冗余并联牵引装置的第三六自由度伸缩支撑杆，图8是冗余并联牵引装置的第四六自由度伸缩支撑杆，图9是冗余并联牵引装置的五自由度伸缩支撑杆，图10是冗余并联牵引装置用于矫治前中足高弓‑内收‑旋后畸形时的构型示意图，图11是冗余并联牵引装置用于矫治后足高弓‑内翻畸形时的构型示意图。

[0026] 本实施例提供了一种用于具有五个矫治自由度需求的足踝畸形的冗余并联牵引装置，参图1～图11所示，该冗余并联牵引装置包括近端固定环组件、远端活动环组件、伸缩支撑杆组件和直线滑台组件，近端固定环组件包括U型适配固定环1和六边形固定环2，远端活动环组件包括大六边形活动环3和小六边形活动环4，伸缩支撑杆组件包括4条六自由度伸缩支撑杆和1条五自由度伸缩支撑杆5，4条六自由度伸缩支撑杆包括第一六自由度伸缩支撑杆6、第二六自由度伸缩支撑杆7、第三六自由度伸缩支撑杆8和第四六自由度伸缩支撑杆9，直线滑台组件包括第一直线滑台10和第二直线滑台11，第一直线滑台10包括第一直线滑台滑槽12、第一直线滑台滑块13和第一直线滑台直线导轨14，第二直线滑台11包括第二直线滑台滑槽15、第二直线滑台滑块16和第二直线滑台直线导轨17，所述第一直线滑台滑槽12、第一直线滑台滑块13和第一直线滑台直线导轨14共同构成直线滑台移动副P1，第二直线滑台滑槽15、第二直线滑台滑块16和第二直线滑台直线导轨17共同构成直线滑台移动副P2。

[0027] 本实施例中，参图5所示，所述第一六自由度伸缩支撑杆6包括第一六自由度伸缩支撑杆虎克副固定U型架18、第一六自由度伸缩支撑杆虎克副十字转轴19、第一六自由度伸缩支撑杆虎克副活动U型架20、第一六自由度伸缩支撑杆伸缩杆上转轴21、第一六自由度伸缩支撑杆近端杆22、第一六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副外壳23、第一六自由度伸缩支撑杆转动副转轴24、第一六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副调节螺母25、第一六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副丝杠26、第一六自由度伸缩支撑杆伸缩杆下转轴27、第一六自由度伸缩支撑杆远端杆28、第一六自由度伸缩支撑杆球副活动U型架29、第一六自由度伸缩支撑杆球副十字转轴30、第一六自由度伸缩支撑杆球副固定U型架31、第一六自由度伸缩支撑杆三角形拓展支座32和第一六自由度伸缩支撑杆球副旋转轴33，所述第一六自由度伸缩支撑杆虎克副固定U型架18与第一六自由度伸缩支撑杆虎克副活动U型架20通过第一六自由度伸缩支撑杆虎克副十字转轴19进行连接，共同构成第一六自由度伸缩支撑杆虎克副U1，所述第一六自由度伸缩支撑杆伸缩杆通过第一六自由度伸缩支撑杆伸缩杆上转轴21和第一六自由度伸缩支撑杆伸缩杆下转轴27分别与第一六自由度伸缩支撑杆近端杆22和第一六自由度伸缩支撑杆远端杆28相连，第一六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副丝杠26通过第一六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副调节螺母25的调节实现相对于第一六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副外壳23的伸长和缩短，进而改变第一六自由度伸缩支撑杆近端杆22和第一六自由度伸缩支撑杆远端杆28之间的夹角，以实现第一六自由度伸缩支撑杆转动副R1的角度变化。所述第一六自由度伸缩支撑杆球副活动U型架29、第一六自由度伸缩支撑杆球副十字转轴30、第一六自由度伸缩支撑杆球副固定U型架31与第一六自由度伸缩支撑杆球球副旋转轴33共同构成第一六自由度伸缩支撑杆球副S1。

[0028] 本实施例中，参图6所示，所述第二六自由度伸缩支撑杆7包括第二六自由度伸缩支撑杆虎克副U2、第二六自由度伸缩支撑杆转动副R2、第二六自由度伸缩支撑杆球副S2、第二六自由度伸缩支撑杆虎克副固定U型架34、第二六自由度伸缩支撑杆虎克副十字转轴35、第二六自由度伸缩支撑杆虎克副活动U型架36、第二六自由度伸缩支撑杆伸缩杆上转轴37、第二六自由度伸缩支撑杆近端杆38、第二六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副外壳39、第二六自由度伸缩支撑杆转动副转轴40、第二六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副调节螺母41、第二六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副丝杠42、第二六自由度伸缩支撑杆伸缩杆下转轴43、第二六自由度伸缩支撑杆远端杆44、第二六自由度伸缩支撑杆球副活动U型架45、第二六自由度伸缩支撑杆球副十字转轴46、第二六自由度伸缩支撑杆球副固定U型架47、第二六自由度伸缩支撑杆三角形拓展支座48和第二六自由度伸缩支撑杆球副旋转轴49，由于所述第一六自由度伸缩支撑杆6和第二六自由度伸缩支撑杆7的连接方式完全相同，因此，所述第二六自由度伸缩支撑杆7的连接方式未进行重复描述。

[0029] 本实施例中，参图7所示，所述第三六自由度伸缩支撑杆8包括第三六自由度伸缩支撑杆虎克副U3、第三六自由度伸缩支撑杆转动副R3、第三六自由度伸缩支撑杆球副S3、第三六自由度伸缩支撑杆虎克副固定U型架50、第三六自由度伸缩支撑杆虎克副十字转轴51、第三六自由度伸缩支撑杆虎克副活动U型架52、第三六自由度伸缩支撑杆伸缩杆上转轴53、第三六自由度伸缩支撑杆近端杆54、第三六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副外壳55、第三六自由度伸缩支撑杆转动副转轴56、第三六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副调节螺母57、第三六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副丝杠58、第三六自由度伸缩支撑杆伸缩杆下转轴59、第三六自由度伸缩支撑杆远端杆60、第三六自由度伸缩支撑杆球副活动U型架61、第三六自由度伸缩支撑杆球副十字转轴62、第三六自由度伸缩支撑杆球副固定U型架63、第三六自由度伸缩支撑杆三角形拓展支座64和第三六自由度伸缩支撑杆球副旋转轴65。参图8所示，所述第四六自由度伸缩支撑杆9包括第四六自由度伸缩支撑杆虎克副U4、第四六自由度伸缩支撑杆转动副R4、第四六自由度伸缩支撑杆球副S4、第四六自由度伸缩支撑杆虎克副固定U型架66、第四六自由度伸缩支撑杆虎克副十字转轴67、第四六自由度伸缩支撑杆虎克副活动U型架68、第四六自由度伸缩支撑杆伸缩杆上转轴69、第四六自由度伸缩支撑杆近端杆70、第四六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副外壳71、第四六自由度伸缩支撑杆转动副转轴72、第四六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副调节螺母73、第四六自由度伸缩支撑杆伸缩杆移动副丝杠74、第四六自由度伸缩支撑杆伸缩杆下转轴75、第四六自由度伸缩支撑杆远端杆76、第四六自由度伸缩支撑杆球副活动U型架77、第四六自由度伸缩支撑杆球副十字转轴78、第四六自由度伸缩支撑杆球副固定U型架79、第四六自由度伸缩支撑杆三角形拓展支座80和第四六自由度伸缩支撑杆球副旋转轴81，由于所述第三六自由度伸缩支撑杆8与第四六自由度伸缩支撑杆9和第一六自由度伸缩支撑杆6的连接方式完全相同，因此，所述第三六自由度伸缩支撑杆8与第四六自由度伸缩支撑杆9的连接方式未进行重复描述。

[0030] 本实施例中，参图9所示，所述五自由度伸缩支撑杆5包括五自由度伸缩支撑杆球副转轴82、五自由度伸缩支撑杆球副固定U型架83、五自由度伸缩支撑杆球副十字转轴84、五自由度伸缩支撑杆球副活动U型架85、五自由度伸缩支撑杆移动副外壳86、五自由度伸缩支撑杆移动副调节螺母87、五自由度伸缩支撑杆移动副丝杠88、五自由度伸缩支撑杆转动副活动U型架89、五自由度伸缩支撑杆转动副旋转轴90和五自由度伸缩支撑杆转动副固定块91，所述五自由度伸缩支撑杆球副转轴82、五自由度伸缩支撑杆球副固定U型架83、五自由度伸缩支撑杆球副十字转轴84与五自由度伸缩支撑杆球副活动U型架85共同构成五自由度伸缩支撑杆球副S5，所述五自由度伸缩支撑杆移动副外壳86、五自由度伸缩支撑杆移动副调节螺母87与五自由度伸缩支撑杆移动副丝杠88共同构成五自由度伸缩支撑杆移动副P3，所述五自由度伸缩支撑杆转动副活动U型架89、五自由度伸缩支撑杆转动副旋转轴90和五自由度伸缩支撑杆转动副固定块91共同构成五自由度伸缩支撑杆转动副R5。

[0031] 本实施例中，参图10所示，为冗余并联牵引装置用于矫治前中足高弓‑内收‑旋后畸形时使用的构型，包括U型适配固定环1、六边形固定环2、第一直线滑台10、第二直线滑台11、五自由度伸缩支撑杆5、第一六自由度伸缩支撑杆6、第二六自由度伸缩支撑杆7、第三六自由度伸缩支撑杆8、第四六自由度伸缩支撑杆9和大六边形活动环3，六边形固定环2与大六边形活动环3通过克氏针92与足踝部骨结构相连。

[0032] 本实施例中，参图11所示，为冗余并联牵引装置用于矫治后足高弓‑内翻畸形时使用的构型，包括U型适配固定环1、六边形固定环2、第一直线滑台10、第二直线滑台11、五自由度伸缩支撑杆5、第一六自由度伸缩支撑杆6、第二六自由度伸缩支撑杆7、第三六自由度伸缩支撑杆8、第四六自由度伸缩支撑杆9和小六边形活动环4，六边形固定环2与小六边形活动环4通过克氏针92与足踝部骨结构相连。

[0033] 本发明提供一种用于具有五个矫治自由度需求的足踝畸形的冗余并联牵引装置，具有如下有益效果：

[0034] 1)该冗余并联牵引装置在五自由度伸缩支撑杆的约束力作用下，远端活动环组件能够执行三转两移的空间五自由度运动，专门用于足踝畸形具有五自由度矫治需求的情况。

[0035] 2)该冗余并联牵引装置中六自由度伸缩支撑杆采用稳定的等腰三角形结构，可以增加并联牵引装置的结构刚度和稳定性。此外，这种向外布置的等腰三角形结构可以在保证结构紧凑的同时，扩大并联牵引装置的内部空间体积，以避免六自由度伸缩支撑杆与足踝软组织之间的碰撞。

[0036] 3)该冗余并联牵引装置具有两个冗余自由度，可以通过自运动优化来调节装置自身位形，以避免六自由度伸缩支撑杆与足踝软组织之间的碰撞、杆长行程超限和机构奇异位形干涉问题。此外，相比于非冗余装置，该冗余并联牵引装置具有更大的位置与姿态工作空间，更高的机构灵活度。

[0037] 上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

[0038] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。