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CN101292935A - 一种踝关节康复机器人 - Google Patents

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CN101292935A
CN101292935A CNA2008100522487A CN200810052248A CN101292935A CN 101292935 A CN101292935 A CN 101292935A CN A2008100522487 A CNA2008100522487 A CN A2008100522487A CN 200810052248 A CN200810052248 A CN 200810052248A CN 101292935 A CN101292935 A CN 101292935A
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ankle joint
ankle
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岳宏
张小俊
曹英
刘更谦
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Hebei University of Technology
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Hebei University of Technology
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Abstract

本发明涉及一种踝关节康复机器人,它包括机械部分、控制部分和显示部分,机械部分包括底座和动平台,在底座和动平台之间并联均布安装有三根具有相同结构的支链和一根具有中心球面副的中心约束杆,每个支链均由转动副、下球面副、连杆和上球面副构成;中心约束杆的上端通过球铰与动平台的中心相连接;在底座上均布固装有三块相同的弯板,三台相同规格的力矩电机分别安装在三块弯板上,且分别与三根支链的转动副驱动连接;动平台上安装有脚踏板,动平台与脚踏板之间安装有三维或六维力/力矩传感器,转动副的轴上安装有位置传感器;控制部分包括计算机及其软件、多轴运动控制卡和驱动器;软件包括与患者实现交互作用的康复软件,康复软件包括康复训练、信息反馈和功能评价三个子系统。

Description

一种踝关节康复机器人
技术领域
本发明涉及一种人肢体康复器械,具体为一种可实现患者踝关节自动做康复运动的康复器械,取名为踝关节康复机器人,国际专利分类号拟为Int.Cl.A61H 1/00(2006.01)。
背景技术
美国鲁特格大学的Girone先生和他的同事研制了一套利用鲁特格踝接口进行矫形康复的装置,该装置可用来帮助患有踝关节肌肉损伤的病人实施康复训练(参见吉罗尼等,应用“鲁特格踝”接口矫形康复.虚拟现实医学学术会议论集,2000年1月,Girone,M.J.,et al.OthopedicRehabilitation Using the“Rutgers Ankle”Interface[A].Proc.ofMedicine Meets Virtual Reality 2000[C].IOS Press,pp.89-95,January 2000.)。该装置基于Stewart平台,采用气动伺服机构使动平台实现六自由度运动,脚踝活动空间大,便于实现踝关节的康复训练。但该装置结构复杂,需要配置独立气源,制造和使用成本高。伦敦大学的Jian S.Dai等人介绍了一种球面副S、移动副P和球面副S(3SPS/S)并联装置的方案,试图用来实现踝部物理治疗装置动平台的三自由度运动(参见Jian S.Dai.等人.扭伤踝部物理治疗机构综合与机器人康复装置刚性分析.自主机器人2004,16:207-218.Jian S.Dai,Tieshi Zhao,Christopher.SprainedAnkle Physiotherapy Based Mechanism Synthesis and StiffnessAnalysis of a Robotic Rehabilitation Device.Autonomous Robots,2004,(16):207-218.)。但该方案也存在驱动移动副P实现运动较为困难的不足,且未见该方案具体技术的报导。
发明内容
针对现有技术的不完善性,本发明要解决的技术问题是,设计一种踝关节康复机器人,该踝关节康复机器人具有三个运动自由度,其动平台可带动损伤的脚踝实现功能训练,同时具有主动运动治疗和被动运动治疗的功能,且结构简单,成本低廉,调节方便,运动参数可自动记录,有利于脚踝关节损伤的科学治疗与康复。
本发明解决所述机器人技术问题的技术方案是:设计一种踝关节康复机器人,它包括机械部分、控制部分和显示部分,所述的机械部分包括底座和动平台,在底座和动平台之间并联均布安装有三根具有相同结构的支链和一根具有中心球面副的中心约束杆,每个支链均由转动副、下球面副、连杆和上球面副构成;所述下球面副通过螺栓固定在转动副的端部,下球面副通过连接杆与上球面副连成一体,上球面副固连在动平台的下表面;所述中心约束杆的上端通过球铰与动平台的中心相连接;在底座上均布固装有三块相同的弯板,三台相同规格的力矩电机分别安装在所述的三块弯板上,且分别与所述的三根支链的转动副驱动连接;所述的动平台上安装有脚踏板,动平台与脚踏板之间安装有三维或六维力/力矩传感器,所述转动副的轴上安装有位置传感器;所述的控制部分包括计算机及其软件、多轴运动控制卡和驱动器;所述的软件包括与患者实现交互作用的康复软件,康复软件包括康复训练、信息反馈和功能评价三个子系统;所述的多轴运动控制卡放在PC计算机的插槽中,并采用电缆通过驱动器分别与所述的三台力矩电机相连接;所述的显示部分包括与计算机线缆连接的显示器。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
1.现有的踝关节康复器械只能完成简单的动作,运动参数无法调节。本发明踝关节康复并联机器人借助于计算机和机器人系统以及多轴运动控制卡通过驱动器拖动力矩电机工作,带动动平台自动地对患者脚踝部位进行多方位的康复医疗或训练,并且调节灵活,运动参数自动记录。
2.现有的美国鲁特格踝关节康复器械具有六个自由度,根据踝关节运动的可能性,实际上,踝关节的康复运动仅需要三个自由度。因此六个自由度的器械属于多余功能,使其结构非常复杂,而且采用的气动伺服装置需要配备独立气源,造价昂贵,使用不便且受限于成本。本发明满足踝关节康复运动所需要的三个自由度,采用电驱动,电源方便,且结构简单,成本低廉,便于制造和实际使用。
3.现有的踝关节康复器械的力和位置参数不易测量。本发明踝关节康复机器人所述的三维力/力矩传感器和光电编码器(位置传感器)设计,可以方便地测量力和位置参数。并可以建立患者康复数据库,便于医生了解患者康复状况,根据数据库的数据来科学制定患者进一步康复治疗的计划。
附图说明
图1为本发明踝关节康复机器人一种实施例的整体结构和外观形状示意图;
图2为本发明踝关节康复机器人一种实施例的3-RSS/S结构示意图;
图3为本发明踝关节康复机器人一种实施例的子系统与患者的关系框图;
图4为本发明踝关节康复机器人一种实施例的控制部分结构示意图;
图5为本发明踝关节康复机器人一种实施例的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图详细叙述本发明:
本发明设计的一种踝关节康复机器人(以下简称机器人,参见图1-5),它包括机械部分、控制部分和显示部分。所述的机械部分包括底座1和动平台11,在底座1和动平台11之间并联均布安装有三根具有相同结构的支链和一根具有中心球面副10的中心约束杆15,每个支链均由转动副(曲柄)5、下球面副4、连杆8和上球面副9构成(即3-RSS/S结构,R-转动副,S-球面副)。所述下球面副4通过螺栓2固定在转动副(曲柄)5的端部,下球面副4通过连杆8与上球面副9连成一体,上球面副9固连在动平台11的中心下表面;所述中心约束杆15的上端通过球铰10与动平台11的中心相连接;三台相同规格的力矩电机6分别安装在三块相同的弯板3上,弯板3均布固装在底座1上。所述转动副(曲柄)5安装在力矩电机6的轴上,由力矩电机6带动转动。所述的动平台11上安装有脚踏板13,动平台11与脚踏板13之间安装有三维或六维力/力矩传感器12(实施例是六维的,因目前国内市售商品传感器只有六维的);所述转动副5的轴上安装有位置传感器,即光电编码器7。
本发明机器人的底座1和在底座1和动平台11之间均布安装的具有相同结构的三根支链,支撑和稳定着整个康复机器人。这种设计不需要患者承受康复器的重量。PC计算机及康复软件通过多轴运动控制卡和驱动器分别驱动三台力矩电机6运动,带动所述转动副(曲柄)5转动,通过3RSS支链,使动平台11运动,固装在力/力矩传感器12上部的脚踏板13带动患者踝关节做康复运动。为了减轻整机的重量,所述机器人的动平台11和脚踏板13使用了铝合金材料。所述的底座1为钢质材料,以增加其稳定性。
所述中心约束杆15的上端通过球铰10与动平台11的下表面中心相连接;其作用是约束和支撑动平台11。这一结构使动平台11具有三个自由度转动,并且能承受较大的负载。使用时,患者可将损伤了踝关节的脚踏在固装在力矩传感器12上部的脚踏板13上,机器人的动平台11带动患者的踝关节做康复运动。与此同时,安装在动平台11上的三维力/力矩传感器12和安装在转动副5轴上的位置传感器(光电编码器)分别检测出力和位置的参数,并通过力/力矩传感器电缆14和编码器电缆16将力和位置信号传给计算机系统。并由计算机系统指令所述力矩电机6带动(曲柄)5旋转,通过下球面副4、连接杆8和上球面副9带动动平台11运动。三台相同规格的力矩电机6同时工作,可以使动平台11实现踝关节康复需要的三个自由度运动。
本发明机器人的控制部分包括计算机及其软件、多轴运动控制卡和驱动器。所述的软件包括与患者实现交互作用的康复软件,康复软件包括康复训练、信息反馈和功能评价三个子系统。康复训练子系统对患者实现使用方式、训练模式、康复动作、参数设置等的控制;信息反馈子系统可实时反馈训练过程中的速度、角度、力矩等信息,使患者能够随时了解自己的训练情况;功能评价子系统来评价患者的训练效果,并通过显示屏展示给患者,使其能够清楚的掌握自己的训练情况。所述的康复软件根据本发明所述的要求本领域技术人员不难具体给出。所述的多轴运动控制卡插在PC计算机主机中,并采用电缆通过驱动器分别与所述的三台力矩电机相连接。所述控制部分(包括软件)本身为现有技术,实施例的多轴运动控制卡为市售产品,型号为PMAC2-PC/104;实施例的驱动器也为市售产品,产品为Accelus数字型。计算机主机将定位指令经由BUS总线传输到多轴运动控制卡,通过PMAC编程控制所述相应的(力矩电机)驱动器,分别驱动所述的三个力矩电机6运动。
本发明机器人所述的显示部分包括与计算机线缆连接的显示器。除显示器外,还可进一步采用电缆连接打印机,以纸介质输出相关信息。
本发明机器人可以使患者的踝关节做以下三个自由度的康复运动,或者说具有踝关节康复运动所需要的三个自由度:踝关节的内翻/外翻运动;踝关节的背屈/跖屈运动;踝关节的内收/外展运动。所述踝关节的内翻/外翻运动的范围为25-30°;踝关节背屈/跖屈运动的范围为+20°--30°;踝关节的内收/外展运动的范围为25°。本发明机器人所述的三个并联的支链可实现所述各种踝关节康复所需的运动。
本发明机器人的工作原理和过程如下:将机器人放置在地面上,康复患者坐在相邻的椅子上,把病患脚放在所述脚踏板13上。根据患者的伤病情况,选择踝关节的运动参数内、外翻背、跖屈角和收展角以及运动次数,并输入计算机。由PC计算机及其软件通过多轴运动控制卡和驱动器分别驱动所述三个力矩电机6,经过所述三根3RSS支链,由动平台11和脚踏板13带动患者的脚踝部做相应的康复运动。患者可以通过所述与PC计算机主机连接的显示屏观测到康复肢体的运动情况。PC计算机及其软件借助于力/力矩传感器12和光电编码器7将各个患者每次康复运动的数据存储在设定的数据库内,以便医生掌握患者踝关节的康复进展状况,并为患者制定进一步踝关节的康复规划,有利于患者踝关节的科学治疗和早日的康复。
本发明机器人特别适用于因外伤或心脑血管疾病引起的脚踝关节功能失调的患者,通过科学康复训练,可以较好地恢复脚踝关节的正常功能。
本发明机器人未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种踝关节康复机器人,它包括机械部分、控制部分和显示部分,所述的机械部分包括底座和动平台,在底座和动平台之间并联均布安装有三根具有相同结构的支链和一根具有中心球面副的中心约束杆,每个支链均由转动副、下球面副、连杆和上球面副构成;所述下球面副通过螺栓固定在转动副的端部,下球面副通过连接杆与上球面副连成一体,上球面副固连在动平台的下表面;所述中心约束杆的上端通过球铰与动平台的中心相连接;在底座上均布固装有三块相同的弯板,三台相同规格的力矩电机分别安装在所述的三块弯板上,且分别与所述的三根支链的转动副驱动连接;所述动平台上安装有脚踏板,动平台与脚踏板之间安装有三维或六维力/力矩传感器,所述转动副的轴上安装有位置传感器;所述的控制部分包括计算机及其软件、多轴运动控制卡和驱动器;所述的软件包括与患者实现交互作用的康复软件,康复软件包括康复训练、信息反馈和功能评价三个子系统;所述的多轴运动控制卡放在PC计算机的插槽中,并采用电缆通过驱动器分别与所述的三台力矩电机相连接;所述的显示部分包括与计算机线缆连接的显示器。
2.根据权利要求1所述的踝关节康复机器人,其特征在于它可以使患者的踝关节做以下三个自由度的康复运动:踝关节的内翻/外翻运动;踝关节的背屈/跖屈运动;踝关节的内收/外展运动;所述踝关节的内翻/外翻运动的范围为25-30°;踝关节背屈/跖屈运动的范围为+20°--30°;踝关节的内收/外展运动的范围为25°。
3.根据权利要求1或2所述的踝关节康复机器人,其特征在于所述的多轴运动控制卡型号为PMAC2-PC/104;所述的驱动器为Accelus数字型驱动器。
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