CN102028607A - 下肢康复训练机器人踝关节装置 - Google Patents

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王洪波
史小华
胡国清
袁林
侯增广
徐震
李亮
杨雪
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Yanshan University
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Abstract

本发明公开了一种适用于串联结构的下肢康复训练机器人的踝关节装置，属于康复医疗设备领域。本发明踝关节装置实现了三重安全防护即软件控制电机13的速度和运动位置范围、行程开关2和机械限位销1也都限定了踝关节电机13的安全极限运动范围。踝关节电机13置于足部箱体11和19内，通过同步带轮3和15传递运动，并有同步带张紧机构16。踝关节支架14固定在踝关节内外护板4和18上，足部踏板19可以绕踝关节支架14的B位置的销轴做相对转动，通过压力传感器7和9实现了足部正反双向扭矩的数据测量。传感器套6、8和10可分别预紧上下两传感器7和9。

Description

下肢康复训练机器人踝关节装置
技术领域
本发明公开了一种下肢康复训练机器人的踝关节装置，属于医疗设备领域。
背景技术
下肢瘫患者的康复治疗方式已经从传统的人工物理治疗方式转变为当前涵盖多学科多技术的自动化治疗。机器人技术和康复医学相结合是机器人应用的主要领域之一。现有的踝关节康复装置存在以下不足：(1)单独的固定式安装的踝关节康复装置使整个下肢的牵引运动轨迹单一，下肢运动空间受限；(2)对于足部力/力矩数据采集的传感器成本较高或没有安装力/力矩传感器，使得康复训练缺乏科学的定量的参考依据；(3)现有的包含踝关节的下肢康复训练装置的结构尺寸较大。主要原因是要同时考虑多种传感器安装和关节驱动设计方案；(4)现有的康复训练装置没有充分的考虑患者下肢的多重保护，若出现机械或控制故障存在对患者下肢的二次伤害隐患。
因此，发明一种结构简单，尺寸小巧，成本低廉，安全性高的踝关节康复训练装置用于下肢康复训练机器人有着极其重要的现实应用意义。
本发明的目的就在于提供一种可用于串联结构的下肢康复机器人的、安全性高成本低的可进行力/力矩采集的踝关节装置。
发明内容
本发明的踝关节装置结合附图公开的结构方案如下：
1、三重安全保护设计方案。第一重保护为软件限位，即通过控制器设定带有编码器的电机的运动极限位置，实现踝关节在正常运动范围内运动。第二重保护为电气限位，即由行程开关在极限位置产生信号来控制踝关节的极限运动范围。第三重保护为机械限位，即由机械限位销和踝关节内外护板孔的配合来限定踝关节的极限运动范围。
2、踝关节采用了非电机直接驱动的设计方案，减小了踝关节机构的轴向尺寸。电机放置在下面由足部踏板和底盖构成的箱体内，便于足部整体外包装，通过同步带轮和同步带轮来传递运动，带动踝关节运动，踝关节内外护板内设计有同步带张紧轮。
3、可调整同步带轮机构在同步带的径向压力下向左侧移动，四个调整螺栓压在踝关节内外护板的内壁上，通过侧面的相应位置的四个通孔可以方便的调节螺栓的旋入长度，从而实现张紧同步带的功能。
4、脚踏板支架和踝关节内外护板用螺栓固定安装，一端通过传感器套在脚踏板上下两面分别安装有圆柱形压力传感器。上传感器用螺栓通过传感器套的通孔和脚踏板连接并预紧传感器，下传感器和带外螺纹的旋塞用螺栓固定后，和带内螺纹的传感器套旋合并预紧传感器。
5、脚踏板通过A、B两部位和踏板支架连接，并可绕B部位的销轴做相对于踏板支架的上下转动，使上下两传感器分别产生压力信号，实现足部力/力矩的测量功能。
本发明的踝关节装置具备以下特点：
1、本踝关节装置设计了软件、电气、机械三重安全防护，有很高的安全可靠性。
2、踝关节采用电机非直接驱动，比电机直驱串联机器人关节结构的轴向尺寸小，并且电机置于足部箱体内，整体结构紧凑，便于外包装。
3、通过机械结构的设计使得足部踏板可以和踝关节支架做相对转动，用两个压力传感器实现了足部正反双向扭矩的数据采集，和采用扭矩传感器的方案比较，成本和结构尺寸上都有很大优势。
附图说明
1、下肢康复训练机器人的踝关节装置内部结构等轴测图
2、下肢康复训练机器人的踝关节装置外形等轴测图
3、下肢康复训练机器人的踝关节脚踏板等轴测图
具体实施方式
由控制器接收编码器12反馈信号实现对电机13速度和转动角度的闭环控制，从而限定踝关节在正常范围内运动。若是控制电路或控制程序执行出现故障，使电机失去控制或飞车后，当踝关节运动到极限位置后，首先由限位销1碰触行程开关2，产生信号来切断电机13的电源电路，若是行程开关2同时也出现故障，则由限位销1卡在踝关节内外护板18、4孔内强制制动，以保护踝关节不受二次损伤。
把人的足部放在固定在踏板19的鞋套内，当进行被动训练时，由机械装置带动足部运动，向上运动时，传感器7受压产生测量信号，向下运动时传感器9受压产生测量信号。当进行主动/阻抗训练时，足部对机械装置施加力来实现踝关节的运动，向下运动时，传感器7受压产生测量信号，向上运动时传感器9受压产生测量信号。

Claims (4)

1.本踝关节装置适用于串联结构的下肢康复训练机器人，其特征在于：具有软件控制电机(13)启停、行程开关(2)通断电机(13)、机械限位销(1)限位的三重防护功能。
2.踝关节采用电机非直驱方案，其特征在于：电机(13)放置在由足部踏板(19)和底盖(11)构成的箱体内，通过同步带轮(3、15)来传递运动，内有同步带张紧轮(5)。
3.由两个压力传感器来实现足部力/力矩的测量，其特征在于：脚踏板支架(14)和踏板(19)通过传感器套(6、8)固定并预紧上压力传感器(7)，传感器套(8)和带外螺纹的旋塞(10)固定下传感器(9)，和带内螺纹的传感器套(8)旋合并预紧传感器(9)。
4.根据权利3所述的传感器的固定并预紧方案，其特征在于：踏板(19)通过A、B两部位和踏板支架(14)连接，并可绕B部位的销轴做相对于踏板支架(14)的双向转动，使传感器(7、9)分别产生压力信号，实现足部力/力矩的测量功能。
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PB01 Publication
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