CN101828982A - 一种踝足康复仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种踝足康复仪，其机械结构系统包括：根据人体工程学设计的类假肢固定装置；小腿后挡板、带有伺服电机和控制器的小腿前挡板、金属铰链、足穿戴部分、角度传感器、足传感部分、铰链、螺帽、螺杆、万向联轴器；所涉及的控制系统包括：基于人足部运动的路径规划系统；用于同外界环境交互的传感器系统；控制伺服电机的伺服控制系统；具体为包括足部运动规划模块，位置控制模块、速度控制模块、电流控制模块、位置采样模块，这些装置结合在一起，可以很好的进行工作。电机械控制机械携带方便，并且相对于控制气动肌肉要容易，并且稳定性和准确性要高得多。该踝足康复仪帮助步态有问题的患者行走，并且训练他们早日康复。

Description

一种踝足康复仪

技术领域：

本发明涉及一种康复训练仪，尤其是一种踝足康复仪，属于机电一体化领域。

背景技术：

目前，解决踝足下垂、内翻的方法除了运动康复训练之外，步行时使用固定并且有助于恢复踝足关节的踝足康复训练仪也是临床常用的方法，并且效果很好。目前常用的传统踝足康复训练仪器有时也被称作踝足矫形器，主要有三种：穿戴固定式、动态踝足矫形器、动力性踝足矫形器。

固定式价格便宜、使用方便。经过临床证明，使用它可以稳定踝关节，降低踝关节的痉挛，提高站立平衡能力，改善步行能力。但它是固定的，它会阻碍踝关节的动作，限制了向前蹬地的动作，阻碍了踝关节的主动稳定性和平衡反应。这些缺点阻碍了踝足矫形器的应用并且会引起一些预想不到的不良后果。

动态踝足矫形器在踝关节处加装了有可调节角度的金属关节，可以根据踝关节下垂的程度调节关节角度，其比固定式改进了很多。但是它不能根据正常踝关节生理运动轨迹主动提供运动轨迹主动提供所缺动力。

动力性可以根据踝关节生理运动轨迹主动提供动力，现在的研究大多集中于在康复仪的前部和后部加气动肌肉来控制仪行走时的踝关节的背屈和跖屈运动。这种系统重量比较大，便携性差，且不易控制。

总而言之，对于以往传统的固定式踝足康复训练仪，它不能随人体足部的运动而变化，不利于足部残疾患者的训练康复。而对于以往的动态踝足康复训练仪，尽管她在踝关节处装有金属关节，但是其不能根据人的踝部运动主动提供力与运动。对于以往的动力型踝足康复训练仪大多采用气动肌肉，它施力往往很突然，不易控制，而且体积往往很庞大。

本发明就是考虑使用电机械控制来完成踝关节的背屈和跖屈运动，目前国内外未见报道。

发明内容：

本发明的目的是设计了一种踝足康复仪，该踝足康复仪帮助步态有问题的患者行走，并且训练他们早日康复。

本发明所涉及机械结构系统包括：假肢固定机构和传动机构，其中机制固定机构分为小腿、踝部和足部，它们均根据人体工程学进行设计。传动机构将电机的运动转化为踝关节的运动。

本发明所涉及的控制系统包括：基于人足部运动的路径规划系统；用于同外界环境交互的传感器系统；控制伺服电机的伺服控制系统。这些控制系统将很好的控制上述机械结构系统，完成很好的工作。

具体工作方案为：

机械结构部件包括：小腿后挡板、带有伺服电机和控制器的小腿前挡板、金属铰链、足穿戴部分、角度传感器、足传感部分、铰链、螺帽、螺杆、万向联轴器；小腿后挡板与带有伺服电机和控制器的小腿前挡板活动链接。其中小腿后挡板为活门设计，其中，足穿戴部分指模拟鞋的结构；

其连接关系为：小腿后挡板、带子和带有伺服电机和控制器的小腿前挡板构成了小腿穿戴部分，通过金属铰链与足穿戴部分相连接，金属铰链上固连有角度传感器；在足穿戴部分的底端，根据人步行时的落地点，分别分布有一个或一个以上的力传感器，这构成了足传感部分，螺帽和螺杆构成了一个丝杠螺纹副结构，足穿戴部分的两侧通过相应的铰链与丝杠螺纹副结构中的螺帽固连，螺杆通过万向联轴器与小腿前挡板中的伺服电机相连接；

控制器中包括足部运动规划模块，位置控制模块、速度控制模块、电流控制模块、位置采样模块；

其中，足部运动规划模块指预先根据经验或实验数据设定好足部恢复指标，并组成的数据库，放入足部运动规划模块以供调用；

位置控制模块指将足部运动规划模块内的足部恢复指标通过微分处理计算出理想中的足部恢复位置指标与实际足部恢复或移动的位置指标的差异，

速度控制模块指当位置控制模块确定需要移动的位置并将其传给速度控制模块，由它通过微分处理计算将其分解成每一等分时间位置所需要的平均速度，并结合恢复人本身的情况，决定需要移动的位置所需要的速度；

电流控制模块指为了防止电流输出时对人体的伤害，设电流控制门限，在门限之内，为电流值正常，则驱动恢复踝足康复仪进行工作，如果在门限之外一次，则暂停踝足康复仪工作，再测，连续三次超过门限之外，则认为踝足康复仪可能产生故障，向踝足康复仪发出停止命令。

位置采样模块，接受力传感器和角度传感器传来的信号，并发给相关模块；

连接关系：足部运动规划模块与位置采样模块和位置控制模块相连，位置控制模块与位置采样模块又与速度控制模块相连，同时，速度控制模块又和电流控制模块和踝足康复仪的伺服电机12相连，位置采样模块与传感器相连；

机械工作过程：它通过金属铰链与足穿戴部分相连接，金属铰链上固连有角度传感器，角度传感器可以实时检测人行走时小腿与足的角度和角速度。足穿戴部分通过铰链与螺帽固连，螺帽和螺杆构成了一个丝杠螺纹副结构，该螺纹副结构可以把螺杆的旋转运动转化成螺帽的上下平移运动。螺杆通过万向联轴器与伺服电机相连接。这样控制器可以控制伺服电机的转动，伺服电动的转动通过万向联轴器转化为螺杆的转动，螺杆的转动通过螺杆和螺帽的螺纹副转化为螺帽的上下移动，从而达到控制目的。

控制器内的工作过程以及驱动踝足康复仪机械部分的关系：

步骤一：当踝足康复仪开始工作时，位置采样模块通过力传感器和角度传感器将相关数据传给位置控制模块，同时，足部运动规划模块将设定好的相关恢复数据也传给位置控制模块，在位置控制模块进行对比分析，算出两者之间的差距，并将该差距传给速度控制模块。

步骤二：速度控制模块将该差距换算成等分时间内的平均速度，并根据预先植入该模块的实际需要，确定实际需要的速度值，

步骤三，当速度控制模块将实际需要的速度值作为电流形式输出给伺服电机之前，经过电流控制模块进行监测；

步骤四，在电流控制模块的门限值的约束下，如果符合门限值的要求，则可传给伺服电机驱动踝足康复仪进行位置移动，如果不符合门限值的要求，则不传给伺服电机，当电流控制模块三次监测电流都超过门限值的要求，则认为系统出现故障，停止进一步的操作。

步骤五，踝足康复仪一旦进行位置移动，位置采样模块从传感器中得到相关数据，并以每一毫秒一次不间断的将相关数据发给速度控制模块，来调节位置移动的速度，此外，位置采样模块中的时钟开始记录发出次数，累计到设定次数后，将最后一次的采样结果在发给速度控制模块的同时，发给位置控制模块，用来进一步校正足部运动规划数据与位置采样数据之间的差距，如此循环往复，直到足部运动规划数据与位置采样数据之间的没有差距为止。

有益效果：

本发明可以一定程度解决上述传统的踝足康复训练仪的问题，它具有以下特点：

1本发明采用上述的控制系统和机械结构相结合的系统，可以有效的弥补传统踝足康复训练仪器的一些不足。本发明使用模糊PID的闭环结构控制伺服电机，然后通过机械结构系统将控制好的伺服电机运动转化为踝关节运动不仅控制稳定、准确而且易于实现。本发明的机械结构系统采用螺纹螺杆传动，既能拉又能压，对踝足的康复更有利。本发明的传感器系统提供外界环境和仪本身的必要信息，是仪的“眼睛”。通过各种系统的有机结合，本发明可以很好的帮助踝足残疾患者训练康复。

2控制系统根据人足部运动规划控制伺服电机运动，其控制很平稳并且精确性和易实现性都很好。而使用伺服电机驱动，其体积重量会大大减轻，便携性大大提高。

3伺服电机的运动通过机械传动系统，将伺服电机的运动转化为踝关节运动。由于伺服电机的运动是根据人的足部运动进行规划的，所以通过机械系统传递的仪踝关节运动也可以很好的跟踪人的足部运动。

4.本发明的控制软件采用嵌入式的编程思想，以提高软件工作的效率以及增强其可抗干扰能力。此为，该软件还与外设调试或数据读取计算机留有预设的接口，这为医疗人员运用其他仪器对患者的康复治疗的效果分析与评估具有重要的作用。

附图说明：

图1为具体实施例的总体系统结构图。

图2为具体实施例的左视图。

图3为具体实施例的前侧视图。

图4为具体实施例的后侧视图。

图5为具体实施例的下侧视图。

1-小腿后挡板、2-带子、3-带有伺服电机12和控制器的小腿前挡板、5-金属铰链、9-足穿戴部分、4-角度传感器、11-足传感部分、10-铰链、8-螺帽、7-螺杆、6-万向联轴器；

图6为具体实施例的控制系统框图。

具体实施方式：

并结合附图说明对本技术方案进行进一步的阐述。

本具体实施方式的机械系统结构如图2、3、4所示。

部件包括：小腿后挡板1、带子2、带有伺服电机12和控制器的小腿前挡板3、金属铰链5、足穿戴部分9、角度传感器4、足传感部分11、铰链10、螺帽8、螺杆7、万向联轴器6；小腿后挡板1通过带子2与带有伺服电机和控制器的小腿前挡板3连接。其中小腿后挡板1为活门设计，以方便穿戴。其中，足穿戴部分9指模拟鞋的结构，

其连接关系为：小腿后挡板1、带子2和带有伺服电机和控制器的小腿前挡板3构成了小腿穿戴部分，通过金属铰链5与足穿戴部分9相连接，金属铰链5上固连有角度传感器4；在足穿戴部分9的底端，根据人步行时的落地点，分别分布有一个或一个以上的力传感器，此外，在足穿戴部分9的前端也布有一个或一个以上的力传感器，这构成了足传感部分11，螺帽8和螺杆7构成了一个丝杠螺纹副结构，足穿戴部分9的两侧通过相应的铰链10与丝杠螺纹副结构中的螺帽8固连，螺杆7通过万向联轴器6与小腿前挡板中的伺服电机相连接；

控制部分：包括足部运动规划模块，位置控制模块、速度控制模块、电流控制模块、位置采样模块，

其中，足部运动规划模块指预先根据经验或实验数据设定好足部恢复指标，并组成的数据库，放入足部运动规划模块以供调用；由于人行走时的足部姿态分为三个阶段，第一个阶段，脚面抬起，脚后跟着地，脚与小腿的夹角由小变大，第二个阶段脚完全着地，身体重心前倾，此时脚与小腿的夹角由大变小。足与地面的作用力最大，第三个阶段，蹬地脚抬离地面后，此时脚与小腿的夹角由小变大再由大变小，在足与地面接触力最小时，足与小腿的夹角达到最大。根据力以及足与小腿的夹角等，跟踪踝关节的屈伸、旋转角度随时间的变化曲线，规划出足部运动姿态，并将其作为踝关节康复训练仪控制系统的输入。

位置控制模块指将足部运动规划模块内的足部恢复指标通过微分处理计算出理想中的足部恢复位置指标与实际足部恢复或移动的位置指标的差异，

速度控制模块指当位置控制模块确定需要移动的位置并将其传给速度控制模块，由它通过微分处理计算将其分解成每一等分时间位置所需要的平均速度，一般为1毫秒为一个等分单位，并结合恢复人本身的情况，决定需要移动的位置所需要的速度；

电流控制模块指为了防止电流输出时对人体的伤害，设电流控制门限，在门限之内，为电流值正常，则驱动恢复踝足康复仪进行工作，如果在门限之外一次，则暂停踝足康复仪工作，再测，连续三次超过门限之外，则认为踝足康复仪可能产生故障，向踝足康复仪发出停止命令。

位置采样模块，接受力传感器和角度传感器传来的信号，并发给相关模块；

连接关系：足部运动规划模块与位置采样模块和位置控制模块相连，位置控制模块与位置采样模块又与速度控制模块相连，同时，速度控制模块又和电流控制模块和踝足康复仪的伺服电机12相连，位置采样模块与传感器相连；

机械工作过程：它通过金属铰链5与足穿戴部分9相连接，金属铰链5上固连有角度传感器4，角度传感器4可以实时检测人行走时小腿与足的角度和角速度。在足穿戴部分9的底端，根据人步行时的落地点，分别分布有一个或一个以上的力传感器，可以检测出人足在步行时所受的力并判断出人处于步行的哪个步态，足穿戴部分9通过铰链10与螺帽8固连，螺帽8和螺杆7构成了一个丝杠螺纹副结构，该螺纹副结构可以把螺杆7的旋转运动转化成螺帽8的上下平移运动。螺杆7通过万向联轴器6与伺服电机12相连接。这样控制器可以控制伺服电机12的转动，伺服电动12的转动通过万向联轴器6转化为螺杆7的转动，螺杆7的转动通过螺杆7螺帽8的螺纹副转化为螺帽8的上下移动，从而达到控制目的。

控制工作过程：

步骤一：当踝足康复仪开始工作时，位置采样模块通过力传感器和角度传感器将相关数据传给位置控制模块，同时，足部运动规划模块将设定好的相关恢复数据也传给位置控制模块，在位置控制模块进行对比分析，算出两者之间的差距，并将该差距传给速度控制模块。

步骤二：速度控制模块将该差距换算成等分时间内的平均速度，并根据预先植入该模块的实际需要，确定实际需要的速度值，

步骤三，当速度控制模块将实际需要的速度值作为电流形式输出给伺服电机12之前，经过电流控制模块进行监测；

步骤四，在电流控制模块的门限值的约束下，如果符合门限值的要求，则可传给伺服电机12驱动踝足康复仪进行位置移动，如果不符合门限值的要求，则不传给伺服电机12，当电流控制模块三次监测电流都超过门限值的要求，则认为系统出现故障，停止进一步的操作。

步骤五，踝足康复仪一旦进行位置移动，位置采样模块从传感器中得到相关数据，并以每一毫秒一次不间断的将相关数据发给速度控制模块，来调节位置移动的速度，此外，位置采样模块中的时钟开始记录发出次数，累计到设定次数后，将最后一次的采样结果在发给速度控制模块的同时，发给位置控制模块，用来进一步校正足部运动规划数据与位置采样数据之间的差距，如此循环往复，直到足部运动规划数据与位置采样数据之间的没有差距为止。

本发明中小腿后挡板1、带有伺服电机、控制器的小腿前挡板3、足穿戴部分9的材料是碳素纤维并根据人体工程学设计。铰链5和铰链10是金属的。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下对本发明进行的任何局部改进或等同替换，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种踝足康复仪，其特征在于：

机械结构部件包括：小腿后挡板(1)、带有伺服电机(12)和控制器的小腿前挡板(3)、金属铰链(5)、足穿戴部分(9)、角度传感器(4)、足传感部分(11)、铰链(10)、螺帽(8)、螺杆(7)、万向联轴器(6)；

机械连接关系为：小腿后挡板(1)以及带有伺服电机(12)和控制器的小腿前挡板(3)构成了小腿穿戴部分，通过金属铰链(5)与足穿戴部分(9)相连接，金属铰链(5)上固连有角度传感器(4)；在足穿戴部分(9)的底端，分别分布有一个或一个以上的力传感器，这构成了足传感部分，螺帽(8)和螺杆(7)构成一个丝杠螺纹副结构，足穿戴部分的两侧通过相应的铰链(10)与丝杠螺纹副结构中的螺帽(8)固连，螺杆通过万向联轴器(6)与小腿前挡板中的伺服电机(12)相连接；

控制器中包括足部运动规划模块，位置控制模块、速度控制模块、电流控制模块、位置采样模块；

足部运动规划模块指预先根据经验或实验数据设定好足部恢复指标，并组成的数据库，放入足部运动规划模块以供调用；

位置控制模块指将足部运动规划模块内的足部恢复指标通过微分处理计算出理想中的足部恢复位置指标与实际足部恢复或移动的位置指标的差异；

速度控制模块指当位置控制模块确定需要移动的位置并将其传给速度控制模块，由它通过微分处理计算将其分解成每一等分时间位置所需要的平均速度，并结合恢复人本身的情况，决定需要移动的位置所需要的速度；

电流控制模块指为了防止电流输出时对人体的伤害，设电流控制门限，在门限之内，为电流值正常，则驱动恢复踝足康复仪进行工作，如果在门限之外一次，则暂停踝足康复仪工作，再测，连续三次超过门限之外，则认为踝足康复仪可能产生故障，向踝足康复仪发出停止命令；

位置采样模块，接受力传感器和角度传感器传来的信号，并发给位置控制模块或速度控制模块；

连接关系：足部运动规划模块与位置采样模块和位置控制模块相连，位置控制模块与位置采样模块又与速度控制模块相连，同时，速度控制模块又和电流控制模块和踝足康复仪的伺服电机(12)相连，位置采样模块与传感器相连；

控制器内的工作过程以及驱动踝足康复仪机械部分的关系：

步骤一：当踝足康复仪开始工作时，位置采样模块通过力传感器和角度传感器将相关数据传给位置控制模块，同时，足部运动规划模块将设定好的相关恢复数据也传给位置控制模块，在位置控制模块进行对比分析，算出两者之间的差距，并将该差距传给速度控制模块；

步骤二：速度控制模块将该差距换算成等分时间内的平均速度，并根据预先植入该模块的实际需要，确定实际需要的速度值，

步骤三，当速度控制模块将实际需要的速度值作为电流形式输出给伺服电机之前，经过电流控制模块进行监测；

步骤四，在电流控制模块的门限值的约束下，如果符合门限值的要求，则可传给伺服电机驱动踝足康复仪进行位置移动，如果不符合门限值的要求，则不传给伺服电机，当电流控制模块三次监测电流都超过门限值的要求，则认为系统出现故障，停止进一步的操作；

步骤五，踝足康复仪一旦进行位置移动，位置采样模块从传感器中得到相关数据，并以每一毫秒一次不间断的将相关数据发给速度控制模块，来调节位置移动的速度，此外，位置采样模块中的时钟开始记录发出次数，累计到设定次数后，将最后一次的采样结果在发给速度控制模块的同时，发给位置控制模块，用来进一步校正足部运动规划数据与位置采样数据之间的差距，如此循环往复，直到足部运动规划数据与位置采样数据之间的没有差距为止；

机械工作过程：它通过金属铰链(5)与足穿戴部分(9)相连接，金属铰链(5)上固连有角度传感器(4)，角度传感器(4)可以实时检测人行走时小腿与足的角度和角速度；足穿戴部分(9)通过铰链(10)与螺帽(8)固连，螺帽(8)和螺杆(7)构成了一个丝杠螺纹副结构，该螺纹副结构可以把螺杆(7)的旋转运动转化成螺帽(8)的上下平移运动；螺杆(7)通过万向联轴器(6)与伺服电机(12)相连接；这样控制器可以控制伺服电机(12)的转动，伺服电动(12)的转动通过万向联轴器(6)转化为螺杆(7)的转动，螺杆(7)的转动通过螺杆(7)螺帽(8)的螺纹副转化为螺帽(8)的上下移动，从而达到控制目的。

2.根据权利要求1所述的一种踝足康复仪，其特征在于：小腿后挡板与带有伺服电机和控制器的小腿前挡板(3)活动链接，而足穿戴部分(9)指模拟鞋的结构。

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