CN102335086A - 一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人及其控制方法，属于康复工程技术领域。本发明包括固定架、跑台、可调节面板及外骨骼机械腿，可调节面板通过髋关节外骨骼与大腿外骨骼的一端相连接，大腿外骨骼的另一端通过膝关节外骨骼与小腿外骨骼的一端相连接，小腿外骨骼的另一端通过踝关节外骨骼与脚踏板相连接；减重系统与可调节面板相连接，大腿外骨骼与髋关节外骨骼、大腿外骨骼与小腿外骨骼、小腿外骨骼与脚踏板之间的电动缸分别通过驱动器与控制系统相连接。控制方法：输入患者身体特征参数；读取预存文本文档，并将信息写入全局变量；判断驱动器的状态是否为“PWM禁能”及“运行”按键是否按下，若是，将信息写入驱动器，否则，等待。

Description

一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于康复工程技术领域，特别是涉及一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人；主要用于中风或中枢神经、脑受损的偏瘫患者的下肢康复训练。

背景技术

目前，自主的运动康复训练已成为基本而有效地疗法，而形形色色的康复训练机器人以其经济的价格、简易的操作、实时的病情反馈与康复训练指导得到医学专家和患者的肯定。

许多国家正在开发各种功能齐全、操作简便、安全性能高的下肢康复机器人，而下肢康复机器人作为一种医疗康复机器人，也越来越多的受到产业界的关注。在欧洲、美国、日本等国家，康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。国外的各种康复机器人已经进入中国市场，当今世界上最先进的康复机器人Lokomat在中国的售价超过300万。

在我国，康复医学工程虽然得到普遍的重视，但康复机器人的研究仍处于起步阶段，一些简单康复机械远远不能满足市场对智能化、人机工程化康复机器人的需求。因此，我国目前的康复工程领域存在的矛盾是：一、众多需要康复的患者与有限的医疗设备之间的矛盾，各医院康复医疗设备的数量远没有达到国家规定的占医疗设备总数量的3％的要求；二、高昂的医疗费用与疗效低下的康复训练之间的矛盾。解决问题的关键是尽快研发出具有自主知识产权的、高性能的、有竞争力的康复训练机器人，填补国内市场的空白。

康复训练机器人在原理上与工业机器人有很大区别，也不同于一般的体育运动训练器材。它直接作用于人体，与人在同一个工作空间工作，人与机器人作为一个整体协同运动；而工业机器人在工作时通常是不允许人进入工作空间的，一般的体育运动训练器材都是阻力型的，通过对受训者施加运动阻力使肌肉得到锻炼，它只能用于健康人，不能用于有运动障碍的患者。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的不足，提供一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人。该康复训练机器人可实现六个自由度，能够最大限度的模拟人的标准步态，使患者的下肢动作尽量接近真实情况的行走动作。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人，包括固定架，在所述固定架的下部设置有跑台，在所述固定架的前侧设置有可调节面板；在所述可调节面板的前侧设置有外骨骼机械腿，所述外骨骼机械腿包括髋关节外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼、膝关节外骨骼、踝关节外骨骼及脚踏板，所述可调节面板通过所述髋关节外骨骼与所述大腿外骨骼的一端相连接，所述大腿外骨骼的另一端通过所述膝关节外骨骼与所述小腿外骨骼的一端相连接，所述小腿外骨骼的另一端通过所述踝关节外骨骼与所述脚踏板相连接；在所述大腿外骨骼与髋关节外骨骼之间连接有髋关节电动缸，在所述大腿外骨骼与小腿外骨骼之间连接有膝关节电动缸，在所述小腿外骨骼与脚踏板之间连接有踝关节电动缸；在所述固定架的内部分别设置有减重系统、驱动器及控制系统，所述减重系统与所述可调节面板相连接；所述髋关节电动缸、膝关节电动缸及踝关节电动缸分别通过驱动器与控制系统相连接。

所述减重系统包括平行四连杆、滑轮组、钢丝绳及配重块，所述平行四连杆与所述可调节面板相连接，所述配重块与所述钢丝绳的一端相连接，钢丝绳的另一端通过所述滑轮组与所述平行四连杆相连接。

所述大腿外骨骼为可调节式，由两个可滑动连杆组成，所述两个可滑动连杆分别与所述髋关节外骨骼和膝关节外骨骼相连接，两个可滑动连杆之间由紧固螺钉连接。

所述小腿外骨骼为可调节式，由两个可滑动连杆组成，所述两个可滑动连杆分别与所述踝关节外骨骼和膝关节外骨骼相连接，两个可滑动连杆之间由紧固螺钉连接。

所述髋关节外骨骼为可调节式，所述髋关节外骨骼的上端分别与平行滑轨及丝杠相连接，所述丝杠与手轮相连接。

为了系统维护和维修方便，在所述固定架的后部设置有两个开门。

所述六自由度足腿式下肢康复训练机器人的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：进行系统初始化；

步骤二：输入患者身体特征参数；

步骤三：读取含有步态数据信息的预存文本文档，并将该步态数据信息写入全局变量；

步骤四：判断驱动器的状态是否为“PWM禁能”及“运行”按键是否按下，若是，则执行步骤五，否则，返回执行步骤四；

步骤五：将步骤三中全局变量中的步态数据信息通过连接组件写入驱动器，驱动器按照步态数据信息控制所述髋关节电动缸、膝关节电动缸及踝关节电动缸；

步骤六：通过驱动器读取各关节电动缸的伺服电机的实际位置、实际速度、实际转矩及实际电流，分别写入数值显示控件和波形图显示控件中；

步骤七：结束。

本发明的原理如下：

根据脑的可塑性理论，通过进行重复的、特定任务的训练让患者进行足够的重复性活动，使重组中的大脑皮质通过深刻的体验来学习和储存正确的运动模式，不断刺激并重建神经系统，改善和促进血液循环，恢复大脑对肢体的控制能力，多数中风或中枢神经、脑受损的偏瘫患者仍具有康复的可能。对中风患者而言，实现下肢在人体矢状面的运动是康复训练的首要目的，图1为从医学的角度把人体分成的三个平面，分别为矢状面、冠状面和水平面。人体步行时，髋关节、膝关节和踝关节均做复杂的空间运动，但主要在矢状面内进行。从中风患者康复的角度，康复训练的目的是首先使他们能够实现最基本的行走功能，因此从人体行走和下肢康复训练的角度来看，人体下肢在矢状面内的运动是人体下肢运动的主要形式，其它的运动均是增加运动灵活性的需要。

本发明的有益效果：

1、本发明的康复训练机器人包含髋关节、膝关节及踝关节共六个自由度，使本发明的康复训练机器人的外骨骼机械腿能够模拟人体下肢行走出标准步态，带动患者下肢做康复运动，保证了患者康复运动的强度和精度；而踝关节自由度是目前足腿式下肢康复机器人所不具备的，踝关节自由度在下肢康复训练中起到非常重要的作用，它可以使患者获得更多的正确运动感觉刺激，有利于提高康复治疗和康复效果；

2、本发明采用了可调节外骨骼，即：髋关节外骨骼宽度可调，大腿外骨骼和小腿外骨骼长度可调，适用于不同身体情况的患者，具有较好的适应性；

3、本发明采用LabVIEW编译环境生成上位机软件，便于调试、维护与系统升级和扩展。

附图说明

图1为从医学角度把人体分成三个平面的示意图；

图2为本发明的康复训练机器人的整体结构示意图；

图3为本发明的康复训练机器人的减重系统的结构示意图；

图4为本发明的康复训练机器人的外骨骼机械腿的结构示意图；

图5为本发明的控制方法的程序流程图；

图6为原始的标准步态曲线图；

(a)为髋关节的位置曲线图；

(b)为膝关节的位置曲线图；

(c)为髋关节的速度曲线图；

(d)为膝关节的速度曲线图；

(e)为踝关节的位置曲线图；

图7为重绘曲线并利用matlab多项式拟合19次后获取的标准步态曲线图；

(a)为髋关节的位置曲线图；

(b)为膝关节的位置曲线图；

(c)为踝关节的位置曲线图；

(d)为髋关节的角速度曲线图；

(e)为膝关节的角速度曲线图；

(f)为膝关节的角速度曲线图；

其中，1-减重系统，2-可调节面板，3-髋关节电动缸，4-大腿外骨骼，5-膝关节电动缸，6-小腿外骨骼，7-外骨骼机械腿，8-踝关节外骨骼，9-跑台，10-脚踏板，11-控制系统，12-驱动器，13-髋关节外骨骼，14-膝关节外骨骼，15-平行滑轨，16-平行四连杆，17-滑轮组，18-固定架，19-钢丝绳，20-配重块，21-大腿可滑动连杆，22-紧固螺钉，23-小腿可滑动连杆，24-平行滑轨，25-丝杠，26-手轮，27-踝关节电动缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图2、图3、图4所示，一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人，包括固定架18，在所述固定架18的下部设置有跑台9，在所述固定架18的前侧设置有可调节面板2；在所述可调节面板2的前侧设置有外骨骼机械腿7，所述外骨骼机械腿7包括髋关节外骨骼13、大腿外骨骼4、小腿外骨骼6、膝关节外骨骼14、踝关节外骨骼8及脚踏板10，所述可调节面板2通过所述髋关节外骨骼13与所述大腿外骨骼4的一端相连接，所述大腿外骨骼4的另一端通过所述膝关节外骨骼14与所述小腿外骨骼6的一端相连接，所述小腿外骨骼6的另一端通过所述踝关节外骨骼8与所述脚踏板10相连接；在所述大腿外骨骼4与髋关节外骨骼13之间连接有髋关节电动缸3，在所述大腿外骨骼4与小腿外骨骼6之间连接有膝关节电动缸5，在所述小腿外骨骼6与脚踏板10之间连接有踝关节电动缸27；在所述固定架18的内部分别设置有减重系统1、驱动器12及控制系统11，所述减重系统1与所述可调节面板2相连接；所述髋关节电动缸3、膝关节电动缸5及踝关节电动缸27分别通过驱动器12与控制系统11相连接。

所述髋关节电动缸3、膝关节电动缸5及踝关节电动缸27分别以前后两耳轴与各处进行连接，在耳轴处安装有铜套，以减少滑动摩擦产生的影响。

如图3所示，所述减重系统1包括平行四连杆16、滑轮组17、钢丝绳19及配重块20，所述平行四连杆16与所述可调节面板2相连接，所述配重块20与所述钢丝绳19的一端相连接，钢丝绳19的另一端通过所述滑轮组17与所述平行四连杆16相连接。

如图4所示，所述大腿外骨骼4为可调节式，由两个可滑动连杆21组成，所述两个可滑动连杆21分别与所述髋关节外骨骼13和膝关节外骨骼14相连接，两个可滑动连杆21之间由紧固螺钉22连接。当大腿外骨骼4的长度与患者骨骼相符时，调节紧固螺钉22使两个可滑动连杆21的长度固定。

如图4所示，所述小腿外骨骼6为可调节式，由两个可滑动连杆23组成，所述两个可滑动连杆23分别与所述踝关节外骨骼8和膝关节外骨骼14相连接，两个可滑动连杆23之间由紧固螺钉22连接。当小腿外骨骼6的长度与患者骨骼相符时，调节紧固螺钉22使两个可滑动连杆23的长度固定。

如图4所示，所述髋关节外骨骼13为可调节式，所述髋关节外骨骼13的上端分别与平行滑轨24及丝杠25相连接，所述丝杠25与手轮26相连接。

为了系统维护和维修方便，在所述固定架18的后部设置有两个开门。下侧的开门用于对固定架18内部的系统进行维护和维修，上侧的开门主要进行控制系统11中电脑的安装，键盘与鼠标均安装在开门的门板上，显示器与主机安装在内部平台上，节省了大量的空间，并使系统变得紧凑。

所述跑台9可以在控制系统11的控制下实现变速运动，保证使用者的双脚与跑台9之间没有相对运动。所述驱动器12的型号有两种，髋关节电动缸3、膝关节电动缸5及踝关节电动缸27的驱动器12是一种，型号为：Copley Micro Panel ACJ-055-18；跑台9的驱动器12是另一种，型号为：Copley Micro Panel XSJ-230-10。

如图5所示，所述六自由度足腿式下肢康复训练机器人的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：进行系统初始化，包括CAN-PCI卡、Copley驱动器及连接组件的初始化；

这一步骤是在LabVIEW中调用CMO组件实现的，通过配置传输波特率、节点ID等各种参数，完成系统各个组件的初始化。

步骤二：输入患者身体特征参数，即患者股骨长度和患者胫骨长度；

股骨长度和胫骨长度用于计算跑台速度，由于下肢关节长度不同的患者在使用本发明的康复训练机器人时，按标准步态行走时跑台需要补偿的速度不同；因此，这两个参数的输入是为了使不同的患者能够行走出合适的步幅；

步骤三：读取含有步态数据“PVT”(位置、速度、时间间隔)信息的预存文本文档，并将该步态数据信息写入全局变量，供后续步骤调用；

所述含有步态数据“PVT”(位置、速度、时间间隔)信息的预存文本文档的建立，如下：附图6为原始的标准步态曲线图，通过读取曲线上点的坐标，并结合机械结构上的尺寸及各关节处电动缸的传动比和电机的减速比等因素，最终整理出电机的给定数据，即“PVT”信息。而在实际应用中，根据患者的康复程度及患者本人的训练意愿，往往需要不同的步态，包括：不同步频、不同步长、不同强度等等的康复训练。为此，按照和上述方法一致的方法，通过改变标准步态曲线中角速度曲线的周期来调整步频；同样道理，通过改变标准步态曲线中的位置曲线来调整步长；通过改变标准步态曲线中的角速度曲线和位置曲线的幅度来改变强度。最终得到一系列含有“PVT”信息的步态数据，建立起本发明的下肢康复训练机器人的步态运动数据库。理疗师可以根据患者对步频、步长和强度的要求而在数据库中查找到相应的步态数据供程序读取。

步骤四：判断连接组件的变量eventstatus是否满足条件，即判断驱动器的状态是否为“PWM禁能”；并判断“运行”按键是否按下，若连接组件的变量eventstatus满足条件，且“运行”按键按下，则执行步骤五，否则，返回执行步骤四；

eventstatus是驱动器内部的一个寄存器，是一个32位的变量，代表驱动器的状态。判断其是否满足条件是指判断其第15位是否为0；其第15位代表“PWM禁能”。

步骤五：将步骤三中全局变量中的步态数据“PVT”信息通过连接组件写入驱动器，驱动器按照步态数据信息控制所述髋关节电动缸、膝关节电动缸及踝关节电动缸；

步骤六：通过驱动器读取各关节电动缸的伺服电机的实际位置PositionActual、实际速度VelocityActual、实际转矩TorqueActual及实际电流CurrentActual几个变量，分别写入数值显示控件和波形图显示控件中，以便于理疗师分析患者康复训练的情况。

步骤七：康复训练结束，退出程序。

本发明的软件系统由实验室虚拟仪器集成环境LabVIEW编译而成，主要对来自底层节点信号进行滤波、运算、存取和显示，建立上位机。LabVIEW内有数值显示控件和波形图显示控件。

Claims (7)

1.一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人，其特征在于，包括固定架，在所述固定架的下部设置有跑台，在所述固定架的前侧设置有可调节面板；在所述可调节面板的前侧设置有外骨骼机械腿，所述外骨骼机械腿包括髋关节外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼、膝关节外骨骼、踝关节外骨骼及脚踏板，所述可调节面板通过所述髋关节外骨骼与所述大腿外骨骼的一端相连接，所述大腿外骨骼的另一端通过所述膝关节外骨骼与所述小腿外骨骼的一端相连接，所述小腿外骨骼的另一端通过所述踝关节外骨骼与所述脚踏板相连接；在所述大腿外骨骼与髋关节外骨骼之间连接有髋关节电动缸，在所述大腿外骨骼与小腿外骨骼之间连接有膝关节电动缸，在所述小腿外骨骼与脚踏板之间连接有踝关节电动缸；在所述固定架的内部分别设置有减重系统、驱动器及控制系统，所述减重系统与所述可调节面板相连接；所述髋关节电动缸、膝关节电动缸及踝关节电动缸分别通过驱动器与控制系统相连接。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人，其特征在于所述减重系统包括平行四连杆、滑轮组、钢丝绳及配重块，所述平行四连杆与所述可调节面板相连接，所述配重块与所述钢丝绳的一端相连接，钢丝绳的另一端通过所述滑轮组与所述平行四连杆相连接。

3.根据权利要求1所述的一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人，其特征在于所述大腿外骨骼为可调节式，由两个可滑动连杆组成，所述两个可滑动连杆分别与所述髋关节外骨骼和膝关节外骨骼相连接，两个可滑动连杆之间由紧固螺钉连接。

4.根据权利要求1所述的一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人，其特征在于所述小腿外骨骼为可调节式，由两个可滑动连杆组成，所述两个可滑动连杆分别与所述踝关节外骨骼和膝关节外骨骼相连接，两个可滑动连杆之间由紧固螺钉连接。

5.根据权利要求1所述的一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人，其特征在于所述髋关节外骨骼为可调节式，所述髋关节外骨骼的上端分别与平行滑轨及丝杠相连接，所述丝杠与手轮相连接。

6.根据权利要求1所述的一种六自由度足腿式下肢康复训练机器人，其特征在于在所述固定架的后部设置有两个开门。

7.权利要求1所述的六自由度足腿式下肢康复训练机器人的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：进行系统初始化；

步骤二：输入患者身体特征参数；

步骤三：读取含有步态数据信息的预存文本文档，并将该步态数据信息写入全局变量；

步骤四：判断驱动器的状态是否为“PWM禁能”及“运行”按键是否按下，若是，则执行步骤五，否则，返回执行步骤四；

步骤五：将步骤三中全局变量中的步态数据信息通过连接组件写入驱动器，驱动器按照步态数据信息控制所述髋关节电动缸、膝关节电动缸及踝关节电动缸；

步骤六：通过驱动器读取各关节电动缸的伺服电机的实际位置、实际速度、实际转矩及实际电流，分别写入数值显示控件和波形图显示控件中；

步骤七：结束。

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