CN107997929B - 一种基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人，包括护腿固定机构，连接在护腿固定机构上的助行机构，连接在护腿固定机构上与助行机构相连的脚板机构，以及连接在脚板机构上的步态矫正机构，在脚板机构中集成有压力传感器系统和微处理器。本发明提供的足底压力传感系统，通过被试在使用过程，对被试足底压力信号的处理，来捕捉被试的主动运动意图。通过将主动运动意图转化为控制指令，可以控制助行机构，辅助被试完成踝关节背屈/跖屈的康复训练以及正常步态行走；可以控制步态矫正机构，完成踝关节内翻/外翻的康复训练。本发明为康复评价系统和训练系统提供了可靠的依据，整体控制精度较高，实时控制能力较好。

Description

一种基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人

技术领域

本发明涉及医疗康复器械领域，特别是涉及一种下肢便携式踝关节康复机器人。

背景技术

对于脑卒中引起的下肢运动功能损伤特别是踝关节运动功能障碍的患者，尤其是用在脑卒中恢复中后期的患者，一般是指发病后的4～12周，相当于Brunstrom分期3～4期，此期患者从患肢肌肉痉挛明显，能主动活动患肢，但肌肉活动均为共同运动。到肌肉痉挛减轻，开始出现选择性肌肉活动。其临床症状表现在，脚踝成足下垂姿态，行走过程会出现“划圈”等异常步态。对于这类患者，有效的科学康复训练治疗对于最大限度的恢复下肢运动功能，促进末端神经康复带动下肢运动神经的康复，有着非常重要的意义。

康复机器人技术是近年来迅速发展起来的一门新兴技术，是机器人技术在医学领域的新应用，它主要用于帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，以达到康复训练和肢体神经康复的目的。

传统的外骨骼康复机器人治疗疗法中，由于机器处于固定安装位置，使得患者无法完成行走过程，步态纠正的训练和辅助行走，而且由于机器人被动式的工作模式，使得机器无法有效地激发患者主动运动意图，促进神经代偿。

由人体解剖学可知，踝关节可视为绕定点转动的球面关节，能够实现背屈/跖屈，内翻/外翻，内旋/外旋三种运动。目前踝关节康复训练器主要以单自由度的转动铰链作为训练设备，难以实现踝关节全面康复的要求，目前踝关节康复器主要以并联式为主，要求患者固定在座位上进行训练，难以满足患者自身在行走中，完成步态的纠正和主动意图的驱动下的康复训练。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术中存在的缺点，提供一种多自由度基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人，从人体下肢生物骨骼结构和步态行走规律中得到思路，并根据人体工程学特点设计，患者将其穿戴在踝关节处，通过在机器人本体上布置足底压力传感器系统，患者能自主控制机器人，从而有效的激发自身主动运动意图，促进神经代偿，采用电路集成和蓝牙通讯，能让机器摆脱复杂线路连接，可独立安装佩戴在患者腿部，能协助患者在日常行走中纠正异常步态，实现康复训练。

该结构能够满足患者完成背屈/跖屈，内翻/外翻运动，同时提供主动意图驱动装置，帮助患者完成主动意图驱动下的康复训练和日常行走。

本发明是通过以下技术方案来实现的。

一种基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人，该装置包括护腿固定机构，连接在护腿固定机构上的助行机构，连接在护腿固定机构上与助行机构相连的脚板机构，以及连接在脚板机构上的步态矫正机构，在脚板机构中集成有足底压力传感系统和微处理器；

实施被试内翻/外翻训练时，通过足底压力传感系统感应被测患者脚板左右两侧压力差值的信号，并传递至微处理器，控制助行机构给步态矫正机构提供动力，带动步态矫正机构带动脚板机构实现往复转动；

实施被试背屈/跖屈及辅助步行训练时，通过足底压力传感系统中脚板前后压力差值的信号，并传递至微处理器，控制助行机构带动脚板一个周期的步态行走。

作为优选，所述护腿固定机构包括半圆弧状的上弧形板和下弧形板和连接上下弧形板的连板，上弧形板和下弧形板外端面上设有固定弹性魔术贴的穿孔。

作为优选，所述助行机构包括同步带机构，同步带机构上的主动轮连接电机输出轴，从动轮的转动轴，穿过中间隔板并与助行机构中的护腿侧板的左侧侧板相连。

作为优选，所述步态矫正机构包括设在曲柄机构封装盒内的伺服电机，伺服电机输出轴与凸轮连杆机构连接，凸轮连杆机构的曲柄连接一摆杆，摆杆通过转动副连接一固定在挡板上的连杆，连杆末端通过转动副与牵引块相连，牵引块连接在脚板机构上。

作为优选，所述脚板机构包括下脚板，和连接在下脚板上的护腿侧板，下脚板上设有与足底足跟、足趾和左右两侧位置对应的压力传感器，在足跟侧设有位姿传感器和微处理器。

进一步，所述下脚板上设有一对牵引座，护腿侧板的左侧侧板铰接在脚板机构上，护腿侧板的右侧侧板连接步态矫正机构；步态矫正机构的牵引块连接在脚板机构中的牵引座上。

进一步，护腿侧板的左侧侧板上设有若干螺纹孔，转动轴轴端的限位片和转动环通过螺栓连接在侧板上。

进一步，所述微处理器采用电路集成和蓝牙通讯，与压力传感器、电机、伺服电机和位姿传感器相连。

本发明的有益效果在于：该基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人不仅能够实现被动的康复训练治疗，还能够通过患者主动意图来控制机器人，帮助中风病人完成日常行走。其特点在于：

1)护腿固定机构，设计成自适应调整的半圆弧形状配戴装置，机构上下都设计有槽孔，用以安装魔术贴，护腿固定机构上半部分设计成内外半圆弧形状，方便于与小腿固定，机构下半部分设计成内圆外方的形状，一方面用于与小腿固定，一方面可以与外部放置电机和同步带的固定盒连接，该结构更好的方便患者佩戴，增加患者在训练过程中的舒适性。

2)助行机构，通过与护腿固定机构的下半部分连接，通过一个固定盒用于放置减速电机，隔板上设计有电机轴孔和从动轮轴孔，另一个固定盒用于安装同步带系统设计，可以将动力系统和控制系统集成到一起，改善了传统设计中，外部线路错综复杂，将患者从固定于单一位置进行康复训练的局限中解放出来，患者能通过携带整个机器，在行走过程中，纠正步态，恢复正常日常行走，实现自主的、高效的康复训练。

3)脚板机构，通过护腿侧板与护腿固定机构相连接，满足了不同患者的佩戴，护腿侧板底端铰接下脚板机构。脚板机构能够模拟正常人行走时，背屈、跖屈的运动轨迹，从而带动和辅助患者踝关节，实现康复训练。

4)步态矫正机构连接于脚板机构中的护腿侧板上，整个机构由伺服电机与凸轮连杆机构直接配合，凸轮连杆机构与摆杆机构通过转动副连接，摆杆机构又与连杆机构通过转动副连接。整个机构可实现患者主动意图驱动下的，内外翻康复训练，有助于患者纠正患者踝部异常姿态，加强踝关节处肌肉的活性。

5)足底压力传感系统，用压敏电阻和电子模块集成了对患者足底压力变化实时采集和分析的压力传感器系统。整个机构嵌套与脚板机构中，通过对患者足底压力分布的变化值信号，进行精确地判断和处理，可以实时掌握患者想要完成的运动，通过这种信号捕捉模式，可以将患者的主动运动意图，与机器的控制指令结合起来，实现患者神经中枢与肢体运动的一个协同，极大地增加了患者康复训练的主动性，有助于脑卒中患者的神经康复和肢体末端关节的功能恢复。

附图说明

图1是本发明的整体机构三维示意图；

图2是本发明的护腿机构示意图；

图3是本发明同步带机构示意图；

图4是本发明助行机构爆炸图；

图5是本发明脚板机构示意图；

图6是本发明足底压力传感系统示意图；

图7是本发明脚板机构爆炸图；

图8是本发明步态矫正机构示意图；

图9是本发明步态矫正机构爆炸图；

图10是本发明整体机构的侧视图。

图中：1、护腿固定机构；2、助行机构；3、脚板机构；4、步态矫正机构；5、足底压力传感系统；6、电机固定盒；7、减速电机；8、平键；9、主动轮；10、同步带；11、同步带封装外壳；12、轴承端盖；13、从动轮；14、转动轴；15、中间隔板；16、曲柄机构封装盒；17、轴承；18、伺服电机；19、挡板；20、曲柄；21、摆杆；22、连杆；23、牵引块；24、限位片；25、转动环；26、护腿侧板；27、下脚板；28、压力传感器；29、位姿传感器；30、微处理器；31、牵引座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。

如图1所示，本实施例描述了本发明公开了一种基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人，包括护腿固定机构1，连接在护腿固定机构1一侧的助行机构2，连接在护腿固定机构1上与助行机构2相连的脚板机构3，以及安装在脚板机构3上，位于整个机器右侧的步态矫正机构4，还包括集成在脚板机构3中的足底压力传感系统5和微处理器30。

如图2所示，利用仿生原理，设计了符合人体生理结构的护腿固定机构1，包括与小腿腿部形状相适应的半圆弧状的上弧形板和下弧形板和连接上下弧形板的连板，连板也为弧形板，上弧形板和下弧形板外端面上设有固定弹性魔术贴的穿孔。护腿机构与患者小腿直接接触固定，对于不同生理特征的病人，通过调节安装在在护腿机构槽里的弹性魔术贴，来调整与不同患者腿部的贴合程度。

如图3、4所示，助行机构2包括同步带机构，同步带机构包括主动轮9和从动轮13、以及连接主动轮9和从动轮13的同步带10，罩在固定盒内用于固定安装控制背屈/跖屈运动的减速电机7与主动轮9直接连接，减速电机7外侧罩有电机固定盒6，一方面通过螺栓连接，固定在护腿机构1上，一方面与电机底座通过螺钉连接，固定控制背屈/跖屈的电机7，电机固定盒6同时通过卡槽固定驱动电机的运动控制卡；电机固定盒6同时设计了轴孔，用于减速电机7的输出，减速电机7输出端通过平键8连接，直接与主动轮9连接。同步带10通过齿与主、从动轮9、13啮合，从动轮13固定在一根转动轴14上，轴的一端通过安装轴承端盖12，保证从动轮13的轴向固定，转动轴14穿过中间隔板15，与另一端与护腿侧板26相连。同步带机构装在同步带封装外壳11内。位置姿态传感器通过安装座安装在护腿机构1上，用于实时测量背屈/跖屈的角度量值。

参见图5、图6、图7所示，脚板机构3包括下脚板27，和连接在下脚板27上的护腿侧板26，下脚板27上设有与足底足跟、足趾和左右两侧位置对应的压力传感器28，在足跟侧设有位姿传感器29和微处理器30，用于检测识别患者的运动意图并用来驱动机器运动。下脚板27上设有一对连接牵引块23的牵引座，护腿侧板26的左侧侧板与脚板机构3铰接，护腿侧板26的右侧侧板连接步态矫正机构4；步态矫正机构4的牵引块23连接在另一牵引座31上。

参照图4，图5，图7，护腿侧板26与从动轮13通过转动轴14连接，轴上安装有轴承，用于支撑，靠近护腿侧板26这端的轴头上，安装有限位片24和转动环25，限位片24和护腿侧板26可通过螺栓连接，用于轴向固定，为了方便不同患者的佩戴，护腿侧板26沿竖直方向有一排等间距的螺纹孔，用于满足不同患者的佩戴，护腿侧板26底端通过铰接与下脚板27相连。脚板机构3上依据人体生理学基础，集成了用于检测主动意图的压力传感器28，压力传感器的布置形式，是根据人体脚底压力分布规律而布置。

脚掌前后左右分别布置有压敏薄膜电阻片，当患者有背屈/跖屈运动意图时，通过对前后压敏薄膜电阻片采集到的压力差值信号的处理，可以判断和识别患者的运动意图，同理，当患者有内翻/外翻运动意图时，通过左右的压敏薄膜电阻片来判断。脚板机构3中，安装有牵引座，用于与曲柄连杆的末端的牵引块构成转动副连接。

参照图7、图8、图9所示，步态矫正机构4通过螺钉固定在脚板机构中的护腿侧板26的右侧侧板上，步态矫正机构4包括伺服电机18，伺服电机18通过电机座固定在曲柄机构封装盒16中，伺服电机18输出轴与与凸轮连杆机构相连接，传递动力；凸轮连杆机构包括由轴承17支撑的曲柄20，曲柄20连接一摆杆21，摆杆21通过转动副连接一固定在挡板19上的连杆22，曲柄连杆机构末端的连杆22通过转动副与牵引块23相连，牵引块23连接在脚板机构3上。微处理器30采用电路集成和蓝牙通讯，控制伺服电机18工作，带动曲柄20转动，摆杆21往复摆动，末端连杆从而带动脚板机构，往复摆动，实现内翻/外翻运动训练过程。

本发明整体机构见图10所示。

实施被试内翻/外翻训练时，被试处于坐卧状态，被试的自主的内翻、外翻运动意图，通过位于足底压力传系统5中，脚板左右两侧的传感器，以压力差值的形式捕捉到，差值经过信号处理，给微处理器30发送信号，微处理器30给伺服电机18发送一个启动指令，步态矫正机构中的伺服电机18，给步态矫正机构4提供动力，牵引块23带动脚板3实现往复转动，由于被试的小腿被护腿1固定，被试的脚随着脚板机构3运动而运动，于是，被试的踝关节可以通过外骨骼的辅助，实现内翻/外翻训练。

实施被试背屈/跖屈以及辅助步行的训练时，被试处于站立状态，被试自主的行走运动意图，以足底压力传感器系统5中脚板前后压力传感器压力差的形式体现，差值通过信号处理，给微处理器30发送一个信号，微处理器30给减速电机7启动指令，减速电机给同步带主动轮9提供动力，输出轮轴14带动脚板先完成一定运动范围内的跖屈，被试腿部抬起，向前跨步，位姿传感器29检测到踝关节跖屈转动到一定角度时，给微处理器30提供反馈信号，微处理器30给减速电机7发送反向转动指令，减速电机带动同步带反转，踝关节完成一定范围内的背屈，回到正常姿态，被试腿部放下，被试即完成一个周期的步态行走。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人，其特征在于，该装置包括护腿固定机构(1)，连接在护腿固定机构(1)上的助行机构(2)，连接在护腿固定机构(1)上与助行机构(2)相连的脚板机构(3)，以及连接在脚板机构(3)上的步态矫正机构(4)，在脚板机构(3)中集成有足底压力传感系统(5)和微处理器(30)；

所述步态矫正机构(4)包括设在曲柄机构封装盒(16)内的伺服电机(18)，伺服电机(18)输出轴与曲柄(20)连接，曲柄(20)连接一摆杆(21)，摆杆(21)通过转动副连接一固定在挡板(19)上的连杆(22)，连杆(22)末端通过转动副与牵引块(23)相连，牵引块(23)连接在脚板机构(3)上；

实施被试内翻/外翻训练时，被试者处于坐卧状态，通过足底压力传感系统(5)感应被测患者脚板左右两侧压敏薄膜电阻片采集到的压力差值的信号，并传递至微处理器(30)，控制助行机构(2)给步态矫正机构(4)提供动力，带动步态矫正机构(4)的牵引块(23)带动脚板机构(3)实现往复转动；被试的小腿被护腿固定机构(1)固定，被试的脚随着脚板机构(3)运动而运动，被试者的踝关节通过外骨骼的辅助，实现内翻/外翻训练；

实施被试背屈/跖屈及辅助步行训练时，被试者处于站立状态，通过足底压力传感系统(5)中脚板前后压敏薄膜电阻片采集到的压力差值的信号，并传递至微处理器(30)，控制助行机构(2)带动脚板一个周期的步态行走。

2.根据权利要求1所述的基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人，其特征在于，所述护腿固定机构(1)包括半圆弧状的上弧形板和下弧形板和连接上下弧形板的连板，上弧形板和下弧形板外端面上设有固定弹性魔术贴的穿孔。

3.根据权利要求1所述的基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人，其特征在于，所述助行机构(2)包括同步带机构，同步带机构上的主动轮(9)连接减速电机(7)输出轴，从动轮(13)的转动轴(14)穿过中间隔板(15)与护腿侧板(26)的左侧侧板相连。

4.根据权利要求1所述的基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人，其特征在于，所述脚板机构(3)包括下脚板(27)，和连接在下脚板(27)上的护腿侧板(26)，下脚板(27)上设有与足底足跟、足趾和左右两侧位置对应的压力传感器(28)，在足跟侧设有位姿传感器(29)和微处理器(30)。

5.根据权利要求4所述的基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人，其特征在于，所述下脚板(27)上设有一对牵引座(31)，护腿侧板(26)的左侧侧板铰接在脚板机构(3)上，护腿侧板(26)的右侧侧板连接步态矫正机构(4)；步态矫正机构(4)的牵引块(23)连接在另一牵引座(31)上。

6.根据权利要求5所述的基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人，其特征在于，护腿侧板(26)的左侧侧板上设有若干螺纹孔，连接助行机构(2)转动轴(14)的限位片(24)和转动环(25)通过螺栓连接在侧板上。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人，其特征在于，所述微处理器(30)采用电路集成和蓝牙通讯，与压力传感器(28)、减速电机(7)、伺服电机(18)和位姿传感器(29)相连。

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