CN112022621A - 用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及康复训练，尤其涉及一种用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置。其在早期患者卧位时为患者提供踝关节牵伸训练，能更有效地促进患者运动功能恢复。包括支架、设置于支架上的踏板、电机模块；所述踏板的一侧通过转轴与支架转动连接，该踏板与转轴固连，转轴与支架转动连接；所述电机模块用于带动转轴及踏板相对支架转动。

Description

用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置
技术领域
本发明涉及康复训练，尤其涉及一种用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置。
背景技术
脑血管病已成为一种危及全球生命健康的疾病。在我国，脑血管病发病率逐年攀升。截止2015年，发病率已高达246.8/10万，即：每年新发脑血管病约340万。随着医疗水平的提高，脑血管病死亡率必然会得到控制，但随之而来的是致残率随之增高，给家庭和社会带来巨大经济负担及人力压力。所以，如何改善患者残障程度，成为亟待解决的问题。对于不同残障类型，下肢运动功能的改善，可以极大提高其生活质量，并能明显减少看护力度，成为了研究关注的热点。
传统的下肢康复训练基本依靠医技人员，而目前康复治疗师数量远远不能满足日益增长的脑血管病患者的需求，随着科技的进步，越来越多的康复设备被应用于该领域中，配合医技人员，满足患者需求。
然而，当前下肢康复设备大部分针对髋、膝关节及大肌群运动功能的改善，对在下肢步行中扮演重要作用的踝关节却未能给予足够重视。脑血管病、脑肿瘤、脑瘫及脊髓损伤等神经系统疾病由于运动相关通路受损伤，可导致跟腱挛缩，踝关节运动障碍。挛缩是因肌肉、韧带等软组织的长度改变、柔软性及可动性丧失所致，挛缩可明显地影响患者的下肢运动功能，踝关节跖屈受限，严重影响其步行功能，极易引起跌倒，而且由于担心这种“画圈步态”导致他人歧视，患者常常拒绝出门，从而减少了运动训练，长期甚至可能引发心理疾病。此外，众多昏迷及长期卧床患者也存在跟腱挛缩及踝关节运动障碍，所以如何解决踝关节运动障碍问题成为当务之急。
研究表明，短暂的牵引只能产生弹性延长，而反复多次，特别是有延续性的多次牵引才能产生可塑性延长。目前对跟腱挛缩训练多为由康复师进行人工牵引，远远不能满足日益增长的患者需求，而市场已有的踝关节训练仪器多为被动模式，缺少主动训练。所以，生产能够在早期患者卧位时就对跟腱挛缩及踝关节运动障碍进行干预，且兼具主被动模式的康复训练仪器成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其在早期患者卧位时为患者提供踝关节牵伸训练，能更有效地促进患者运动功能恢复。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，其特征在于，包括支架、设置于支架上的踏板、电机模块；
所述踏板的一侧通过转轴与支架转动连接，该踏板与转轴固连，转轴与支架(通过轴承)转动连接；
所述电机模块用于带动转轴及踏板相对支架转动。
进一步地，还包括设置于踏板中央的压力传感器，所述压力传感器在使用者将双足踏于踏板时，用于采集足底压力及重力。
进一步地，还包括控制器及康复数据分析模块，控制器用于对电机进行运动控制，并采集电机运动过程中的多种数据信息，该数据信息包括力矩、角度、速度、位置信息，并传送给康复数据分析模块；康复数据分析模块结合控制器传来的压力传感器信息及控制器采集的数据信息进行进一步分析，以评估患者情况及训练效果，并动态调整治疗方案。电机模块带动转轴运动，以实现根据康复数据分析模块整合信息得出数据制定的康复训练。
更进一步地，控制器包含电机驱动模块、处理器模块及通讯模块；电机驱动模块通过UVW三相供电对电机模块进行控制；处理器模块运行控制算法和处理程序(与后续的控制模块相对应)；通讯模块实现与电机模块和康复数据分析模块的通信；康复数据分析模块包括PC机或工作站，康复数据分析模块接收压力传感器和控制器发送过来的数据，并进行分析，以评估训练效果并调整治疗方案。
进一步地，所述电机模块包括包含直流无刷电机、编码器、减速器，三者与转轴同轴；所述踏板的一侧通过转轴与支架一侧转动连接。
更进一步地，直流无刷电机采用24V供电，编码器测量电机的转角用于电机控制，同时也能测量踏板与地面的夹角，进而计算踏板不同角度时自身的重力，更好地补充主动运动时的转矩；减速器安装在电机和转轴之间，降低电机速度，同时放大电机的输出力矩，驱动踏板运动。
更进一步地，压力传感器的检测值和安装位置，通过通信总线发送给控制器，控制器计算相对于转轴的转矩，该转矩可用于主动运动控制时的转矩反馈；控制器将该反馈信息加入力闭环控制，用于个体化的主动训练，同时发送给康复数据分析模块以评估患者情况及训练效果，并动态调整治疗方案；被动训练时，反馈信息不加入力闭环控制，而只用于评估训练效果及调整治疗方案。
进一步地，控制器内运行控制模块，控制模块包括运动学计算模块、动力学计算模块、工作站通信模块、电机控制接口模块、转矩采集与判断模块、轨迹规划模块、速度采集与判断模块、位置采集与判断模块；
运动学模块计算踏板运动时的角度、位置等信息；
动力学计算模块计算踏板运动过程中尤其自身所产生的重力、摩擦、惯性力等信息，用于补偿到电机的转矩计算中；
工作站通信模块用于将转矩、速度、位置等信息传送到康复数据分析模块；
电机控制接口模块用于连接电机并进行控制；
转矩采集与判断模块用于读取运动过程中的转矩信息，转矩信息可以通过踏板上的压力传感器检测或者通过基于电流的转矩观测器计算，在判断转矩值超过限值时进行安全保护，安全保护常采用停止电机动作来实现；
轨迹规划模块用于计算踏板运动的轨迹，常采用梯形加减速运动，并输出θd、θ′d；
速度采集与判断模块用于读取运动过程中的速度信息，并在判断其值超过限值时进行安全保护；
位置采集与判断模块用于读取运动过程中的位置信息，并在判断其值超过限值时进行安全保护。
更进一步地，控制模块有两种运动模式：主动运动模式和被动运动模式；在被动运动模式下，由轨迹规划模块计算出轨迹位置，并将其输出给电机控制的位置闭环，电机控制闭环经过位置、速度、动力学补偿、电流闭环后驱动直流无刷电机转动，并通过传动装置带动踝关节训练装置的踏板运动，实现被动运动控制；动力学补偿项由拉格朗日法求得；同时，为保证系统安全，对转矩、速度、位置信息采集，并判断其大小，当超过限值时进行安全保护；转矩信息的采集可以通过踏板上的压力传感器检测或者通过基于电流的转矩观测器计算；当采用压力传感器时，通过压力传感器的检测值和安装位置，可以计算相对于转轴的转矩，该转矩可用于主动运动控制时的转矩反馈。
更进一步地，在主动运动模式下，轨迹规划输出
Figure RE-GDA0002747325440000041
相当于轨迹规划输出直接跟踪反馈速度，且不再使用位置环控制；此时系统实际有效输入为由转矩反馈到速度控制的给定，这个给定值是通过
Figure RE-GDA0002747325440000051
实现的，由转矩到速度的反馈实现主动运动时的阻抗控制；
Figure RE-GDA0002747325440000052
为计算出的脚施加在踏板上的外部转矩，可以通过踏板上的压力传感器检测或者通过基于电流的转矩观测器计算；τd为给定转矩，通过τd可以实现对
Figure RE-GDA0002747325440000053
的阻力和助力作用；当脚施加在踏板上外部转矩时，通过τd可以实现阻力和助力的康复运动。
与现有技术相比本发明有益效果。
本发明不仅可为患者提供踝关节被动牵伸训练，还能完成普通主动训练及精准的个体化主动训练。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是本发明硬件结构示意图。
图2是本发明被动模式控制系统结构图。
图3是本发明主动模式控制系统结构图。
图4是本发明转矩观测器结构图。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明提供如下技术方案：硬件方面，包括踏板1(包含位于踏板中央的感受器)、支架2、转轴3、电机模块4、控制器5、康复数据分析模块6。电机控制方式能够实现更为精准的主、被动运动控制，且能够对训练数据进行采集分析，便于康复效果的评估并调整治疗方案。
所述踝关节康复装置采用电机控制技术方案时，需要连接踏板1(包含位于踏板中央的感受器)、支架2、转轴3、电机模块4、控制器5、康复数据分析模块6。患者将双足踏于踏板1(包含位于踏板中央的感受器)采集足底压力及重力等信息；电机模块4用于带动转轴及踏板1(包含位于踏板中央的感受器)运动，实现根据康复数据分析模块6整合信息得出数据制定的康复训练；控制器5 用于对电机进行运动控制，并采集电机运动过程中的力矩、角度、速度、位置等信息，传送给康复数据分析模块6；康复数据分析模块6结合踏板1(包含位于踏板中央的感受器)及控制器5采集数据进行进一步分析，以评估患者情况及训练效果，并动态调整治疗方案。
优选的，踏板1包含位于踏板中央的感受器。患者双足踏于中央，感受器采集足底压力及重力信号，感受器可以采用压力传感器，通过压力传感器的检测值和安装位置，可以计算相对于转轴的转矩，该转矩可用于主动运动控制时的转矩反馈。
压力及重力信号通过通信总线发送给控制器5，控制器一方面可将该反馈信息加入力闭环控制，用于个体化的精准主动训练，另一方面也可以发送给康复数据分析模块6以评估患者情况及训练效果，并动态调整治疗方案。被动训练时，反馈信息不加入力闭环控制，而只用于评估训练效果及调整治疗方案。
优选的，电机模块4包含直流无刷电机、编码器、减速器三部分，三者与转轴3同轴。直流无刷电机采用24V供电，具有更高的安全性，为装置提供动力；编码器测量电机的转角用于电机控制，同时也能测量踏板与地面的夹角，进而计算踏板不同角度时自身的重力，更好地补充主动运动时的转矩；减速器安装在电机和图1中转轴3之间，降低电机速度，同时放大电机的输出力矩，驱动踏板运动。
优选的，控制器5包含电机驱动模块、处理器模块、通讯模块。电机驱动模块通过UVW三相供电对电机模块4进行控制；处理器模块运行各种控制算法和处理程序；通讯模块实现与电机模块4和康复数据分析模块6的通信。
优选的，康复数据分析模块6为PC机或工作站，包括主机箱、显示器、键盘、鼠标等组件，安装康复数据分析软件，接收踏板1(包含位于踏板中央的感受器)和控制器5发送过来的数据，并进行分析，以评估训练效果并调整治疗方案。
同时，该发明还提供一种踝关节主、被动康复训练装置控制方法。被动、主动运动控制系统结构分别如图2、图3所示。系统包括控制器11、踝关节训练装置12、传动机构13(一般指减速器)、电机14、动力学的惯性力项M15、动力学的重力摩擦力和离心力项16、速度控制模块17、位置控制模块18。
进一步，控制器11主要包括运动学计算模块21、动力学计算模块22、工作站通信模块23、电机控制接口模块24、转矩采集与判断模块25、轨迹规划模块 26、速度采集与判断模块27、位置采集与判断模块28等部分。
运动学计算模块21计算踏板运动时的角度、位置等信息。
动力学计算模块22计算踏板运动过程中尤其自身所产生的重力、摩擦、惯性力等信息，用于补偿到电机的转矩计算中。
工作站通信模块23用于将转矩、速度、位置等信息传送到康复数据分析模块8。
电机控制接口模块24用于连接电机并进行控制。
转矩采集与判断模块25用于读取运动过程中的转矩信息，转矩信息可以通过踏板上的压力传感器检测或者通过基于电流的转矩观测器计算，在判断转矩值超过限值时进行安全保护，安全保护常采用停止电机动作来实现。
轨迹规划模块26用于计算踏板运动的轨迹，常采用梯形加减速运动，并输出θd、θ′d。
速度采集与判断模块27用于读取运动过程中的速度信息，并在判断其值超过限值时进行安全保护；
位置采集与判断模块28用于读取运动过程中的位置信息，并在判断其值超过限值时进行安全保护。
进一步，被动运动控制如2所示。
由轨迹规划模块26计算出轨迹位置，并将其输出给电机控制的位置闭环，电机控制闭环经过位置、速度、动力学补偿、电流闭环后驱动直流无刷电机转动，并通过传动机构13带动踝关节训练装置12的踏板运动，实现被动运动控制。动力学补偿项15、16由拉格朗日法求得。同时，为保证系统安全，对转矩、速度、位置信息采集，并判断其大小，当超过限值时进行安全保护。转矩信息的采集可以通过踏板上的压力传感器检测或者通过基于电流的转矩观测器计算。当采用压力传感器时，通过压力传感器的检测值和安装位置，可以计算相对于转轴的转矩，该转矩可用于主动运动控制时的转矩反馈。采用转矩观测器时，基于电流的转矩观测器系统结构如图4所示。
其中isq为电机采用磁场定向控制时的q轴电流，ψf为永磁体磁场与定子交链磁链矢量幅值，np为电机极对数，N为减速器传动比，τext为患者将脚踩在踏板上所施加的外部转矩，J为电机转子和转轴总的惯量，ω为旋转角速度，θ为旋转角度，
Figure RE-GDA0002747325440000081
和
Figure RE-GDA0002747325440000082
分别是τext、ψf、
Figure RE-GDA0002747325440000083
和J的估值。通过电机电气模型和转矩模型，实现对装置转轴处的理想转矩的计算。然后再对摩擦和踏板重力补偿，实现对电缆牵引力的计算。摩擦包括粘性摩擦和静摩擦两部分，Fv和Fs为粘性摩擦和静摩擦系数，
Figure RE-GDA0002747325440000086
为踏板速度的符号函数。踏板重力G可以通过动力学拉格朗日法计算。
Figure RE-GDA0002747325440000084
为最终计算出的脚施加在踏板上的外部转矩。
进一步，主动运动控制如同3所示。与被动运动控制不同点在于，这时的轨迹规划输出
Figure RE-GDA0002747325440000085
相当于轨迹规划输出直接跟踪反馈速度，并且不再使用18 位置环控制。而这时系统实际有效输入为由转矩反馈到17速度控制的给定，这个给定值是通过
Figure RE-GDA0002747325440000091
实现的，由转矩到速度的反馈实现主动运动时的阻抗控制。
Figure RE-GDA0002747325440000092
为计算出的脚施加在踏板上的外部转矩，可以通过踏板上的压力传感器检测或者通过基于电流的转矩观测器计算。τd为给定转矩，通过τd可以实现对
Figure RE-GDA0002747325440000093
的阻力和助力作用。这样，当脚施加在踏板上外部转矩时，通过τd可以实现阻力和助力的康复运动。
本发明不仅可在早期为患者提供踝关节被动牵伸训练，还能完成主动训练，且实现了对训练数据的显示、分析和评估，使得应用者可以及时反馈并调整治疗方案，加强患者能动性，更全面地促进患者运动功能康复。且本发明装置由电机控制，通过电机电流和系统模型检测训练过程中的交互力，可根据患者跟腱挛缩及踝关节运动障碍程度进行调整，实现个体化治疗，具有较强的实用性。
本发明设计的电机控制主动训练技术方案，不需要增加力/力矩传感器，仅依靠电机电流和系统模型，就能实现对外部施加力的建模和估计，并进行主动运动控制，极大地降低成本，具有很高的经济型和实用性。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于，包括支架、设置于支架上的踏板、电机模块；
所述踏板的一侧通过转轴与支架转动连接，该踏板与转轴固连，转轴与支架转动连接；
所述电机模块用于带动转轴及踏板相对支架转动。
2.根据权利要求1所述的用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于：还包括设置于踏板中央的压力传感器，所述压力传感器在使用者将双足踏于踏板时，用于采集足底压力及重力。
3.根据权利要求1所述的用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于：还包括控制器及康复数据分析模块，控制器用于对电机进行运动控制，并采集电机运动过程中的多种数据信息，该数据信息包括力矩、角度、速度、位置信息，并传送给康复数据分析模块；康复数据分析模块结合控制器传来的压力传感器信息及控制器采集的数据信息进行进一步分析，以评估患者情况及训练效果，并动态调整治疗方案。电机模块带动转轴运动，以实现根据康复数据分析模块整合信息得出数据制定的康复训练。
4.根据权利要求3所述的用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于：控制器包含电机驱动模块、处理器模块及通讯模块；电机驱动模块通过UVW三相供电对电机模块进行控制；处理器模块运行控制算法；通讯模块实现与电机模块和康复数据分析模块的通信；康复数据分析模块包括PC机或工作站，康复数据分析模块接收压力传感器和控制器发送过来的数据，并进行分析，以评估训练效果并调整治疗方案。
5.根据权利要求1所述的用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于：所述电机模块包括包含直流无刷电机、编码器、减速器，三者与转轴同轴；所述踏板的一侧通过转轴与支架一侧转动连接。
6.根据权利要求5所述的用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于：直流无刷电机采用24V供电，编码器测量电机的转角用于电机控制，同时也能测量踏板与地面的夹角，进而计算踏板不同角度时自身的重力，更好地补充主动运动时的转矩；减速器安装在电机和转轴之间，降低电机速度，同时放大电机的输出力矩，驱动踏板运动。
7.根据权利要求1所述的用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于：压力传感器的检测值和安装位置，通过通信总线发送给控制器，控制器计算相对于转轴的转矩，该转矩可用于主动运动控制时的转矩反馈；控制器将该反馈信息加入力闭环控制，用于个体化的主动训练，同时发送给康复数据分析模块以评估患者情况及训练效果，并动态调整治疗方案；被动训练时，反馈信息不加入力闭环控制，而只用于评估训练效果及调整治疗方案。
8.根据权利要求3所述的用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于：控制器内运行控制模块，控制模块包括运动学计算模块、动力学计算模块、工作站通信模块、电机控制接口模块、转矩采集与判断模块、轨迹规划模块、速度采集与判断模块、位置采集与判断模块；
运动学模块计算踏板运动时的角度、位置等信息；
动力学计算模块计算踏板运动过程中尤其自身所产生的重力、摩擦、惯性力等信息，用于补偿到电机的转矩计算中；
工作站通信模块用于将转矩、速度、位置等信息传送到康复数据分析模块；
电机控制接口模块用于连接电机并进行控制；
转矩采集与判断模块用于读取运动过程中的转矩信息，转矩信息可以通过踏板上的压力传感器检测或者通过基于电流的转矩观测器计算，在判断转矩值超过限值时进行安全保护，安全保护常采用停止电机动作来实现；
轨迹规划模块用于计算踏板运动的轨迹，常采用梯形加减速运动，并输出θd、
Figure RE-FDA0002747325430000031
速度采集与判断模块用于读取运动过程中的速度信息，并在判断其值超过限值时进行安全保护；
位置采集与判断模块用于读取运动过程中的位置信息，并在判断其值超过限值时进行安全保护。
9.根据权利要求8所述的用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于：控制模块有两种运动模式：主动运动模式和被动运动模式；在被动运动模式下，由轨迹规划模块计算出轨迹位置，并将其输出给电机控制的位置闭环，电机控制闭环经过位置、速度、动力学补偿、电流闭环后驱动直流无刷电机转动，并通过传动装置带动踝关节训练装置的踏板运动，实现被动运动控制；动力学补偿项由拉格朗日法求得；同时，为保证系统安全，对转矩、速度、位置信息采集，并判断其大小，当超过限值时进行安全保护；转矩信息的采集可以通过踏板上的压力传感器检测或者通过基于电流的转矩观测器计算；当采用压力传感器时，通过压力传感器的检测值和安装位置，可以计算相对于转轴的转矩，该转矩可用于主动运动控制时的转矩反馈。
10.根据权利要求9所述的用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于：在主动运动模式下，轨迹规划输出
Figure RE-FDA0002747325430000032
相当于轨迹规划输出直接跟踪反馈速度，且不再使用位置环控制；此时系统实际有效输入为由转矩反馈到速度控制的给定，这个给定值是通过
Figure RE-FDA0002747325430000033
实现的，由转矩到速度的反馈实现主动运动时的阻抗控制；
Figure RE-FDA0002747325430000034
为计算出的脚施加在踏板上的外部转矩，可以通过踏板上的压力传感器检测或者通过基于电流的转矩观测器计算；τd为给定转矩，通过τd可以实现对
Figure RE-FDA0002747325430000041
的阻力和助力作用；当脚施加在踏板上外部转矩时，通过τd可以实现阻力和助力的康复运动。
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