CN113730879A - 一种基于足底力反馈的脚踝康复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，包括以下步骤：步骤S1、预设康复运动轨迹，经动平台处的压力传感器收集足底压力数据，经动平台处的编码器收集足部姿态数据；以获得使用者主动康复的运动意图，实现动平台的主动跟随；步骤S2、基于步骤S1的主动康复运动，通过编码器数据进行描迹实验，获得每个使用者的主动运动轨迹，将运动轨迹记录和数据化；步骤S3、对描迹轨迹进行优化，由踝关节康复机器人根据优化后的轨迹，使用动平台承载使用者足部运动，执行定制化的被动康复运动；本发明适用于踝关节各个康复周期，提高康复运动中人的主动参与度，有助于定制化康复运动轨迹，实现差异化的康复运动，而且有助医师对患者的诊断。

Description

一种基于足底力反馈的脚踝康复方法
技术领域
本发明涉及康复器械技术领域，尤其是一种基于足底力反馈的脚踝康复方法。
背景技术
无论是由于激烈的运动造成的踝关节扭伤还是由于疾病导致的踝关节功能受损，除了进行必要的药物治疗外，运动康复治疗也是十分重要的一个环节，一些有效的康复疗法能够加快患者踝部的康复。
传统的康复训练是由医护人员完成，由于康复周期长，会造成医疗资源紧张和昂贵费用。为解决这个问题，就出现了踝关节康复机器人的研究与开发。
目前的研究主要集中在踝关节康复机构的被动康复上，未能根据患者脚踝的实际运动机能进行主被动康复。
发明内容
本发明提出一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，适用于踝关节各个康复周期，提高康复运动中人的主动参与度，有助于定制化康复运动轨迹，实现差异化的康复运动，而且有助医师对患者的诊断。
本发明采用以下技术方案。
一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、预设康复运动轨迹，经动平台处的压力传感器收集使用者的足底压力数据，经动平台处的编码器收集使用者的足部姿态数据；基于力感知算法获得使用者通过踝关节康复机器人的动平台进行主动康复运动时的运动意图，通过控制系统实现动平台的主动跟随；
步骤S2、基于步骤S1的主动康复运动，通过编码器数据进行描迹实验，获得每个使用者的主动运动轨迹，将运动轨迹记录和数据化；
步骤S3、对描迹轨迹进行优化，由踝关节康复机器人根据优化后的轨迹，使用加减速控制方式使动平台承载使用者足部运动，执行定制化的被动康复运动。
所述主动康复运动、被动康复运动包括踝关节跖屈-背屈和内翻-外翻复合运动，步骤S1中，在主动康复运动时，数据采集模块从足底压力传感器和编码器获取数据，并上传给上位机；上位机根据足底压力数据与角度数据，经过力反馈的阻抗模型，计算出下一目标位姿，给踝关节康复机器人的运动控制器发出运动指令；由运动控制器驱动动平台处的电机运行，使动平台跟随使用者的人体运动意图方向运动。
所述踝关节康复机器人基于2-SPU/RR并联机构，该并联机构包括动平台(7)、基座(11)、约束支链和两个SPU运动分支；所述约束支链使康复机器人仅有两个转动自由度。
所述约束支链包括U型架(2)、第一支撑架(8)、第二支撑架(8’)，为由两个旋转轴线共面且相互垂直的旋转副串联而成的结构，可等效为虎克铰链副，旋转轴轴线交点即为并联机构的旋转中心；
使用者使用康复机器人时，人体脚踝转动中心与并联机构的旋转中心近似重合；
所述约束支链的两个转动轴处分别固连有有第一编码器(1)和第二编码器(4)；所述第一编码器和第二编码器均为单圈绝对值编码器；用于获取动平台旋转角度。
所述SPU运动分支为SPU并联支链，由第一万向节(5)、第二万向节(5’)、第一步进推杆(9)、第二步进推杆(9’)、第一关节轴承副(10)、第二关节轴承副(10’)组成；第一万向节、第二万向节为U副；第一关节轴承副、第二关节轴承副为S副。
所述动平台处的压力传感器为压阻式柔性足底压力传感器，其传感器中的敏感单元的电阻随压力增大而减小，且每个敏感单元均可视为压力可变电阻；足底压力Fi(i＝1～16)的大小可由每个敏感单元测得的电压值计算出：
Figure BDA0003304861190000021
所述压力传感器内包括16个敏感单元，按6行*4列的阵列式分布方式布设于动平台处，用于监测人体运动过程中的足底压力分布。
步骤S1的主动康复运动进行数据采集采用的力感知算法，具体方法为：初始状态时，设定脚踝转动中心在足底压力传感器上的投影点为零点，借由三维模型可得到各敏感单元近似受力中心的坐标，将这些坐标旋转一定的足偏角后为(xi,yi)；
在可达位姿下，单个敏感单元对转动中心O点的力矩为：
Figure BDA0003304861190000031
式中
Figure BDA0003304861190000032
为敏感单元的受力矢量，方向始终垂直于传感器；
Figure BDA0003304861190000033
为由脚踝转动中心指向敏感单元近似中心的矢量，h为脚踝转动中心距离足底压力传感器的高度；假定动平台依次绕x、y'轴旋转，旋转矩阵R(α,β)为：
Figure BDA0003304861190000034
合力矩等于所有敏感单元对转动中心O点的力矩叠加，即为：
Figure BDA0003304861190000035
将合力矩分解为对x轴与y'轴的转矩，即求力矩向量
Figure BDA0003304861190000036
在x轴和y'轴上的投影分量，有：
Figure BDA0003304861190000037
式中，
Figure BDA0003304861190000038
分别为x轴和y'轴的单位方向向量，为：
Figure BDA0003304861190000039
所述步骤S2在进行描迹实验时，选取半径为10度的圆作为预设轨迹，脚踝运动仅受阻尼作用，进入阻尼运动模式，设置两组阻尼参数作对照；
所述上位机在进行人体主动康复时记录运动轨迹，为进行踝关节被动康复运动提供轨迹数据，所述动平台及相关机构件对x轴与y'轴的转动惯量为0.069Nm·s2与0.049Nm·s2，在记录运动轨迹时，惯性参数J的大小需大于上述数值，故令Jx＝5,Jy＝1，忽略刚度参数影响令Kx＝0,Ky＝0。
所述步骤S3中的被动康复运动采用5段S型曲线函数对描迹轨迹进行优化；
在步骤S3中的被动康复运动中，采用五段S型加减速控制方式控制承载使用者足部的动平台运动，以使运动动作连续平缓并减轻启停冲击对踝部的影响；
被动康复运动的可设置参数包括最大允许速度vmax、加/减速时间T、是否往返运动选项、往返次数以及停顿时间设置。
本发明提出了一种基于足底力反馈脚踝康复方法，首先预设康复运动轨迹，基于足底压力数据，感知患者运动意图，在踝关节样机上实现主动康复运动，然后进行描迹实验，获得每个患者的主动运动轨迹，最后对描迹轨迹进行优化，根据优化轨迹使用5段S型加减速控制方式进行定制化被动康复，本发明该力反馈脚踝康复方法具有广阔前景，原理简单，能够满足踝关节跖屈-背屈和内翻-外翻复合运动需求，适用于踝关节各个康复周期，提高康复运动中人的主动参与度，有助于定制化康复运动轨迹，实现差异化的康复运动，有助医师对患者的诊断。
本发明的主被动康复系统实现了机器人跟随控制与患者主动行为感知的结合，有助医师对踝关节机能损伤患者的诊断。该方法加快了患者局部区域的康复，缩短了康复周期，有助医师定量评价患者的脚踝康复效果。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明所述踝关节康复机器人的示意图；
附图2是足底压力传感器的等效电路示意图；
附图3是足底压力传感器与脚踝转动中心的相对位置关系示意图；
附图4是本发明的数据采集与运动控制界面示意图；
附图5是选取半径为10度的圆作为预设轨迹进行人体主动康复时的描迹轨迹示意图；
附图6是被动康复的运动轨迹示意图；
图中：1-第一编码器；2-U型架；4-第二编码器；5-第一万向节；5’-第二万向节；7-动平台；8-第一支撑架；8’-第二支撑架；9-第一步进推杆；9’-第二步进推杆；10-第一关节轴承副；10’-第一关节轴承副；11-基座。
具体实施方式
如图所示，一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、预设康复运动轨迹，经动平台处的压力传感器收集使用者的足底压力数据，经动平台处的编码器收集使用者的足部姿态数据；基于力感知算法获得使用者通过踝关节康复机器人的动平台进行主动康复运动时的运动意图，通过控制系统实现动平台的主动跟随；
步骤S2、基于步骤S1的主动康复运动，通过编码器数据进行描迹实验，获得每个使用者的主动运动轨迹，将运动轨迹记录和数据化；
步骤S3、对描迹轨迹进行优化，由踝关节康复机器人根据优化后的轨迹，使用加减速控制方式使动平台承载使用者足部运动，执行定制化的被动康复运动。
所述主动康复运动、被动康复运动包括踝关节跖屈-背屈和内翻-外翻复合运动，步骤S1中，在主动康复运动时，数据采集模块从足底压力传感器和编码器获取数据，并上传给上位机；上位机根据足底压力数据与角度数据，经过力反馈的阻抗模型，计算出下一目标位姿，给踝关节康复机器人的运动控制器发出运动指令；由运动控制器驱动动平台处的电机运行，使动平台跟随使用者的人体运动意图方向运动。
所述踝关节康复机器人基于2-SPU/RR并联机构，该并联机构包括动平台7、基座11、约束支链和两个SPU运动分支；所述约束支链使康复机器人仅有两个转动自由度。
所述约束支链包括U型架2、第一支撑架8、第二支撑架8’，为由两个旋转轴线共面且相互垂直的旋转副串联而成的结构，可等效为虎克铰链副，旋转轴轴线交点即为并联机构的旋转中心；
使用者使用康复机器人时，人体脚踝转动中心与并联机构的旋转中心近似重合；
所述约束支链的两个转动轴处分别固连有有第一编码器1和第二编码器4；所述第一编码器和第二编码器均为单圈绝对值编码器；用于获取动平台旋转角度。
所述SPU运动分支为SPU并联支链，由第一万向节5、第二万向节5’、第一步进推杆9、第二步进推杆9’、第一关节轴承副10、第二关节轴承副10’组成；第一万向节、第二万向节为U副；第一关节轴承副、第二关节轴承副为S副。
所述动平台处的压力传感器为压阻式柔性足底压力传感器，其传感器中的敏感单元的电阻随压力增大而减小，且每个敏感单元均可视为压力可变电阻；足底压力Fi(i＝1～16)的大小可由每个敏感单元测得的电压值计算出：
Figure BDA0003304861190000061
所述压力传感器内包括16个敏感单元，按6行*4列的阵列式分布方式布设于动平台处，用于监测人体运动过程中的足底压力分布。
步骤S1的主动康复运动进行数据采集采用的力感知算法，具体方法为：初始状态时，设定脚踝转动中心在足底压力传感器上的投影点为零点，借由三维模型可得到各敏感单元近似受力中心的坐标，将这些坐标旋转一定的足偏角后为(xi,yi)；
在可达位姿下，单个敏感单元对转动中心O点的力矩为：
Figure BDA0003304861190000062
式中
Figure BDA0003304861190000063
为敏感单元的受力矢量，方向始终垂直于传感器；
Figure BDA0003304861190000064
为由脚踝转动中心指向敏感单元近似中心的矢量，h为脚踝转动中心距离足底压力传感器的高度；假定动平台依次绕x、y'轴旋转，旋转矩阵R(α,β)为：
Figure BDA0003304861190000065
合力矩等于所有敏感单元对转动中心O点的力矩叠加，即为：
Figure BDA0003304861190000066
将合力矩分解为对x轴与y'轴的转矩，即求力矩向量
Figure BDA0003304861190000067
在x轴和y'轴上的投影分量，有：
Figure BDA0003304861190000071
式中，
Figure BDA0003304861190000072
分别为x轴和y'轴的单位方向向量，为：
Figure BDA0003304861190000073
所述步骤S2在进行描迹实验时，选取半径为10度的圆作为预设轨迹，脚踝运动仅受阻尼作用，进入阻尼运动模式，设置两组阻尼参数作对照；
所述上位机在进行人体主动康复时记录运动轨迹，为进行踝关节被动康复运动提供轨迹数据，所述动平台及相关机构件对x轴与y'轴的转动惯量为0.069Nm·s2与0.049Nm·s2，在记录运动轨迹时，惯性参数J的大小需大于上述数值，故令Jx＝5,Jy＝1，忽略刚度参数影响令Kx＝0,Ky＝0。
所述步骤S3中的被动康复运动采用5段S型曲线函数对描迹轨迹进行优化；
在步骤S3中的被动康复运动中，采用五段S型加减速控制方式控制承载使用者足部的动平台运动，以使运动动作连续平缓并减轻启停冲击对踝部的影响；
被动康复运动的可设置参数包括最大允许速度vmax、加/减速时间T、是否往返运动选项、往返次数以及停顿时间设置。
本例中，在执行被动康复运动时，动平台由电机驱动的第一步进推杆、第二步进推杆控制其运动，承载使用者足部按设定的轨迹运动。

Claims (10)

1.一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤S1、预设康复运动轨迹，经动平台处的压力传感器收集使用者的足底压力数据，经动平台处的编码器收集使用者的足部姿态数据；基于力感知算法获得使用者通过踝关节康复机器人的动平台进行主动康复运动时的运动意图，通过控制系统实现动平台的主动跟随；
步骤S2、基于步骤S1的主动康复运动，通过编码器数据进行描迹实验，获得每个使用者的主动运动轨迹，将运动轨迹记录和数据化；
步骤S3、对描迹轨迹进行优化，由踝关节康复机器人根据优化后的轨迹，使用加减速控制方式使动平台承载使用者足部运动，执行定制化的被动康复运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，其特征在于：所述主动康复运动、被动康复运动包括踝关节跖屈-背屈和内翻-外翻复合运动，步骤S1中，在主动康复运动时，数据采集模块从足底压力传感器和编码器获取数据，并上传给上位机；上位机根据足底压力数据与角度数据，经过力反馈的阻抗模型，计算出下一目标位姿，给踝关节康复机器人的运动控制器发出运动指令；由运动控制器驱动动平台处的电机运行，使动平台跟随使用者的人体运动意图方向运动。
3.根据权利要求2所述的一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，其特征在于：所述踝关节康复机器人基于2-SPU/RR并联机构，该并联机构包括动平台(7)、基座(11)、约束支链和两个SPU运动分支；所述约束支链使康复机器人仅有两个转动自由度。
4.根据权利要求3所述的一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，其特征在于：所述约束支链包括U型架(2)、第一支撑架(8)、第二支撑架(8’)，为由两个旋转轴线共面且相互垂直的旋转副串联而成的结构，可等效为虎克铰链副，旋转轴轴线交点即为并联机构的旋转中心；
使用者使用康复机器人时，人体脚踝转动中心与并联机构的旋转中心近似重合；
所述约束支链的两个转动轴处分别固连有有第一编码器(1)和第二编码器(4)；所述第一编码器和第二编码器均为单圈绝对值编码器；用于获取动平台旋转角度。
5.根据权利要求3所述的一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，其特征在于：所述SPU运动分支为SPU并联支链，由第一万向节(5)、第二万向节(5’)、第一步进推杆(9)、第二步进推杆(9’)、第一关节轴承副(10)、第二关节轴承副(10’)组成；第一万向节、第二万向节为U副；第一关节轴承副、第二关节轴承副为S副。
6.根据权利要求2所述的一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，其特征在于：所述动平台处的压力传感器为压阻式柔性足底压力传感器，其传感器中的敏感单元的电阻随压力增大而减小，且每个敏感单元均可视为压力可变电阻；
足底压力Fi(i＝1～16)的大小可由每个敏感单元测得的电压值计算出：
Figure FDA0003304861180000021
7.根据权利要求6所述的一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，其特征在于：所述压力传感器内包括16个敏感单元，按6行*4列的阵列式分布方式布设于动平台处，用于监测人体运动过程中的足底压力分布。
8.根据权利要求6所述的一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，其特征在于：步骤S1的主动康复运动进行数据采集采用的力感知算法，具体方法为：初始状态时，设定脚踝转动中心在足底压力传感器上的投影点为零点，借由三维模型可得到各敏感单元近似受力中心的坐标，将这些坐标旋转一定的足偏角后为(xi,yi)；
在可达位姿下，单个敏感单元对转动中心O点的力矩为：
Figure FDA0003304861180000022
式中
Figure FDA0003304861180000023
为敏感单元的受力矢量，方向始终垂直于传感器；
Figure FDA0003304861180000024
为由脚踝转动中心指向敏感单元近似中心的矢量，h为脚踝转动中心距离足底压力传感器的高度；假定动平台依次绕x、y'轴旋转，旋转矩阵R(α,β)为：
Figure FDA0003304861180000031
合力矩等于所有敏感单元对转动中心O点的力矩叠加，即为：
Figure FDA0003304861180000032
将合力矩分解为对x轴与y'轴的转矩，即求力矩向量
Figure FDA0003304861180000033
在x轴和y'轴上的投影分量，有：
Figure FDA0003304861180000034
式中，
Figure FDA0003304861180000035
分别为x轴和y'轴的单位方向向量，为：
Figure FDA0003304861180000036
9.根据权利要求2所述的一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，其特征在于：所述步骤S2在进行描迹实验时，选取半径为10度的圆作为预设轨迹，脚踝运动仅受阻尼作用，进入阻尼运动模式，设置两组阻尼参数作对照；
所述上位机在进行人体主动康复时记录运动轨迹，为进行踝关节被动康复运动提供轨迹数据，所述动平台及相关机构件对x轴与y'轴的转动惯量为0.069Nm·s2与0.049Nm·s2，在记录运动轨迹时，惯性参数J的大小需大于上述数值，故令Jx＝5,Jy＝1，忽略刚度参数影响令Kx＝0,Ky＝0。
10.根据权利要求2所述的一种基于足底力反馈的脚踝康复方法，其特征在于：所述步骤S3中的被动康复运动采用5段S型曲线函数对描迹轨迹进行优化；在步骤S3中的被动康复运动中，采用五段S型加减速控制方式控制承载使用者足部的动平台运动，以使运动动作连续平缓并减轻启停冲击对踝部的影响；
被动康复运动的可设置参数包括最大允许速度vmax、加/减速时间T、是否往返运动选项、往返次数以及停顿时间设置。
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