CN107753244B - 一种基于章动原理的混联式踝关节康复机运动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于章动原理的混联式踝关节康复机运动控制方法，包括以下步骤：S1：建立定坐标系和动坐标系；S2：初始设置章动角的数值以及动平台的章动运动轨迹，获取各个时刻啮合点在啮合圆上相对初始时刻转动过的角度；S3：获取各个时刻的三个纵向推杆相对初始位置的升降位移；S4：基于各个时刻的纵向推杆的升降位移对纵向推杆进行控制。与现有技术相比，本发明通过建立数学模型求解了混联式踝关节康复装置中各推杆位移的解析表达式，进而给出康复装置中各推杆的位移，达到跖屈/背屈、内翻/外翻运动的复合康复效果，加快患者局部康复，缩短康复周期，通过调整章动角来满足患者各个康复阶段的需求。

Description

一种基于章动原理的混联式踝关节康复机运动控制方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种基于章动原理的混联式踝关节康复机运动控制方法。
背景技术
随着机器人技术在现代医学的应用与实践，康复机器人已经成为了患者科学有效的辅助治疗工具。踝关节损伤是一种十分常见的骨骼损伤方式，踝关节康复是一个长期而漫长的过程。现有研究中康复策略的模式较为单一，且容易造成踝关节的二次损伤，为了避免踝关节的二次损伤，对踝关节的康复运动轨迹规划十分重要，需对踝关节康复装置的运动轨迹进行精心规划。
混联式踝关节康复机的结构如图1所示，由连接杆1、摇杆2、动平台3、踏板4、纵向升降驱动装置、支撑杆6、旋转平台7以及基台9组成，纵向升降驱动装置由三根纵向推杆5沿圆周均布而成，每根纵向推杆5由一步进电机8驱动升降，使用时，踏板4随动平台运动，踏板4的跖屈/背屈运动、内翻/外翻运动由纵向升降驱动装置中三根纵向推杆5的升降实现，踏板4的外展/内收运动由旋转平台7的旋转配合支撑杆6、摇杆2、连接杆1的联动实现，传统的康复机运动控制方法只能单一的进行跖屈/背屈运动控制或内翻/外翻运动控制，且目前无有效地、简单地复合多模式的控制方法来结合跖屈/背屈、内翻/外翻运动。
章动运动是一种简单而又巧妙的运动，可表述为一个物体绕自身轴线自转的同时，其自身轴线绕与其相交成一定夹角的空间轴线做圆周摆动，其原理如图2所示。具体体现在行星或陀螺仪的自转运动中，轴在进动中的一种轻微不规则运动，使自转轴在方向的改变中出现如“点头”般的摇晃现象，其应用涉及多个领域，如机械传动领域的章动减速机，其特点是体积小、传动比大、传动平稳；发动机领域的章动发动机，其利用章动盘和摆动轴替代了传统的曲柄滑块机构。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于章动原理的混联式踝关节康复机运动控制方法，通过建立数学模型求解了混联式踝关节康复装置中各推杆位移的解析表达式，进而给出康复装置中各推杆的位移，达到跖屈/背屈、内翻/外翻运动的复合康复效果，加快患者局部康复，缩短康复周期，通过调整章动角来满足患者各个康复阶段的需求。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于章动原理的混联式踝关节康复机运动控制方法，用于混联式踝关节康复机的控制，混联式踝关节康复机包括放置有踏板的动平台，以及三个沿圆周均布在动平台下方的可升降的纵向推杆，该方法包括以下步骤：
S1：建立定坐标系O-xyz和动坐标系S-ξηζ，ξη平面与xy平面的夹角为章动角，坐 标点S对应动平台圆心，坐标点S在xy平面上的投影与坐标点O重合，动平台在ξη平面上做自 转速度为0的章动运动，章动运动时动平台边缘始终存在一与xy平面接触的啮合点P i ，该啮 合点在xy平面的轨迹作为啮合圆；
S2：基于步骤S1建立的定坐标系和动坐标系，初始设置章动角的数值以及动平 台的章动运动轨迹，获取各个时刻啮合点在啮合圆上相对初始时刻转动过的角度；
S3：获取各个时刻的三个纵向推杆相对初始位置的升降位移d A 、d B 、d C ，满足以下公式：
式中，a为纵向推杆与动平台的连接点到坐标点S的距离，纵向推杆的初始位置是 指动平台倾斜章动角后初始时刻的位置；
S4：基于各个时刻的纵向推杆的升降位移对纵向推杆进行控制。
所述章动角的取值不超过45°。
所述章动角的取值范围为：20°≤≤45°。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明所提出的一种踝关节章动式康复轨迹规划方法，其主要原理是基于章动式运动的原理，通过建立数学模型求解了混联式踝关节康复装置中各推杆位移的解析表达式，进而给出康复装置中各推杆的位移。通过混联式脚踝康复机构三个推杆有规律的上下往复运动，驱动实现康复装置上部分动平台的章动式运动，进而带动踝关节患者进行章动式康复运动，达到跖屈/背屈、内翻/外翻运动的复合康复效果，加快患者局部康复，缩短康复周期，通过调整章动角来满足患者各个康复阶段的需求，为患者局部区域的康复训练提供了一种有效的解决方案。
2、结合踝关节康复运动的安全性要求，分析不同位姿下相关肌肉的活动度，进而 确定章动式康复运动的章动角，章动角不宜超过45°，容易对脚踝关节造成二次损伤，另 一方面，章动角度太小时，康复效果较小，因此，章动角的优选取值在20°-45°之间。
3、该章动式轨迹规划方法具有广阔前景，原理简单，复合了单一的跖屈/背屈、内翻/外翻运动，适用于踝关节各个康复周期。
附图说明
图1为混联式踝关节康复机的结构示意图。
图2为回转体的一般形式章动运动示意图。
图3为回转体的两轴线交于圆盘中心形式章动运动示意图。
图4为章动复合轨迹数学建模中的动定坐标系示意图。
图5为章动复合轨迹数学建模中的ξη平面上投影示意图。
图6为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图3所示，物体做章动运动时，当自身轴线与空间轴线的交点刚好在圆盘的中心，且圆盘自转速度为0时，圆盘只做章动摆动运动，圆盘的边缘做起伏运动。
本发明方法基于上述章动式运动的原理，进行如下建模分析：
（1）建立数学模型，如图4和图5所示。首先建立定坐标系O-xyz和动坐标系S-ξηζ，为章动角，即ξη平面与xy平面（xy平面作为静平台）的夹角，坐标点S对应动平台圆心，坐 标点S在xy平面上的投影与坐标点O重合，动平台在ξη平面上做自转速度为0的章动运动，章 动运动时动平台边缘始终存在一与xy平面接触的啮合点P i ，下标i表示对应时刻Ti，该啮合 点在xy平面的轨迹作为啮合圆，则P i 也为动平台与啮合圆的啮合点，为动平台与啮合圆 的啮合点在各个时刻相对初始时刻T0转过的角度，R为啮合圆的半径；l i 为啮合圆上过啮合 点P i 的切线，n i 为过啮合点P i 、切线l i 的垂线，j i ( j = A, B, C )为各纵向推杆投影到垂线n i 上的垂点，A、B、C为对三个纵向推杆的顺序标号，图5中A、B、C点是纵向推杆A、纵向推杆B、 纵向推杆C在静平台上的位置，j’ i 为过j i 点的竖直方向垂线与动平台的交点（即为纵向推杆 与动平台的接触点），各纵向推杆相对于初始位置的位移为d j ，中心点S到各纵向推杆之间 的距离为a，即：|AS| = |BS| = |CS| = a。
当啮合点运动时，纵向推杆A到动平台的距离会降低或者升高，以让动平台达到章动运动规律。不同时刻A纵向推杆的运动高度即为dA。
由图3（b）可知纵向推杆A相对于初始位置的位移为
纵向推杆A的初始位置应该是倾斜章动角后对应T0的位置，章动运动实际上可以看做动平台跟静平台之间有个啮合点，这个啮合点绕着静平台圆周运动一圈即完成一次完整的章动运动。
类似的，纵向推杆B相对于初始位置的位移
纵向推杆C相对于初始位置的位移
综上，动平台瞬时位姿下各纵向推杆位移为
（2）编程计算，控制平台搭建。
（3）依照步骤（1）（2）完成动平台的章动式轨迹。
通过上述原理分析，如图6所示，本发明基于章动原理的混联式踝关节康复机运动控制方法包括以下步骤：
S1：建立定坐标系O-xyz和动坐标系S-ξηζ，ξη平面与xy平面的夹角为章动角，坐 标点S对应动平台圆心，坐标点S在xy平面上的投影与坐标点O重合，动平台在ξη平面上做自 转速度为0的章动运动，章动运动时动平台边缘始终存在一与xy平面接触的啮合点P i ，该啮 合点在xy平面的轨迹作为啮合圆。
S2：基于步骤S1建立的定坐标系和动坐标系，初始设置章动角的数值以及动平 台的章动运动轨迹，获取各个时刻啮合点在啮合圆上相对初始时刻转动过的角度；其中， 章动角不宜超过45°，容易对脚踝关节造成二次损伤，另一方面，章动角度太小时，康复效 果较小，因此，章动角的优选取值在20°-45°之间。
S3：获取各个时刻的三个纵向推杆A、B、C相对初始位置的升降位移d A 、d B 、d C ，满足以下公式：
式中，a为纵向推杆与动平台的连接点到坐标点S的距离，纵向推杆的初始位置是 指动平台倾斜章动角后初始时刻T0的位置。
S4：基于各个时刻的纵向推杆的升降位移对纵向推杆进行控制。
该基于章动式轨迹规划的踝关节康复运动复合了跖屈/背屈、内翻/外翻运动，步进电机驱动三个纵向推杆做有规律的上下运动，选用步进电机作为驱动具有高精度的优势，同时对三个纵向推杆的控制便捷精准，可以实现动平台的精确控制。除此之外，章动式脚踝康复运动结合了跖屈/背屈、内翻/外翻运动，相比两种简单的运动，加快了患者局部康复，缩短了康复周期，可以满足患者各个康复阶段的需求。
综上，本发明方法的主要原理是基于章动式运动的原理，通过三个纵向推杆有规律的上下往复运动，驱动实现康复装置动平台的章动式运动，进而带动踝关节患者进行章动康复运动，达到复合简单的跖屈/背屈、内翻/外翻运动的效果，加快患者局部康复，缩短康复周期，通过调整章动角来满足患者各个康复阶段的需求。

Claims (3)

1.一种基于章动原理的混联式踝关节康复机运动控制方法，用于混联式踝关节康复机的控制，混联式踝关节康复机包括放置有踏板的动平台，以及三个沿圆周均布在动平台下方的可升降的纵向推杆，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：建立定坐标系O-xyz和动坐标系S-ξηζ，ξη平面与xy平面的夹角为章动角，坐标点S 对应动平台圆心，坐标点S在xy平面上的投影与坐标点O重合，动平台在ξη平面上做自转速 度为0的章动运动，章动运动时动平台边缘始终存在一与xy平面接触的啮合点P i ，该啮合点 在xy平面的轨迹作为啮合圆；
S2：基于步骤S1建立的定坐标系和动坐标系，初始设置章动角的数值以及动平台的章 动运动轨迹，获取各个时刻啮合点在啮合圆上相对初始时刻转动过的角度；
S3：获取各个时刻的三个纵向推杆相对初始位置的升降位移d A 、d B 、d C ，满足以下公式：
式中，a为纵向推杆与动平台的连接点到坐标点S的距离，纵向推杆的初始位置是指动 平台倾斜章动角后初始时刻的位置；
S4：基于各个时刻的纵向推杆的升降位移对纵向推杆进行控制，以实现跖屈/背屈、内翻/外翻运动的复合运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于章动原理的混联式踝关节康复机运动控制方法，其 特征在于，所述章动角的取值不超过45°。
3.根据权利要求2所述的一种基于章动原理的混联式踝关节康复机运动控制方法，其 特征在于，所述章动角的取值范围为：20°≤≤45°。
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