踝關(guān)節(jié)康復(fù)系統(tǒng)的制作方法

本實(shí)用新型涉及輔助醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備領(lǐng)域，具體地說是一種踝關(guān)節(jié)康復(fù)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

康復(fù)機(jī)器人作為醫(yī)療機(jī)器人的一個重要分支，它的研究貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)成為了國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。

踝關(guān)節(jié)損傷以踝關(guān)節(jié)韌帶損傷最為常見，如果治療不及時或不徹底，容易導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)韌帶過度松弛，關(guān)節(jié)不穩(wěn)，易引起反復(fù)扭傷，造成踝關(guān)節(jié)功能障礙等后遺癥，嚴(yán)重的將影響行走功能。在大多腳踝受傷的病例中，經(jīng)過醫(yī)院的治療后，康復(fù)時間一般為6-18個月，在這期間，大多數(shù)人不能夠正常行走，會明顯的感到疼痛，此時特別需要物理治療來進(jìn)行輔助康復(fù)治療(如腳部放松和按摩等)，必須經(jīng)過反復(fù)的循序漸進(jìn)的訓(xùn)練使受損的踝關(guān)節(jié)得以康復(fù)。

目前市場上已有的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備功能簡單，對踝關(guān)節(jié)運(yùn)動功能的恢復(fù)存在不足，不能實(shí)現(xiàn)自動化連續(xù)往復(fù)緩慢活動，并且使用不當(dāng)易造成踝關(guān)節(jié)的再次損傷，一些醫(yī)院臨床用的器械價格昂貴，且需要專業(yè)人士指導(dǎo)使用，不利于家庭使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種可以對踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備發(fā)出命令并對機(jī)器人的動作和運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測及控制，保證機(jī)器人按照要求有效的配合患者完成踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的踝關(guān)節(jié)康復(fù)系統(tǒng)。

本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：

一種踝關(guān)節(jié)康復(fù)系統(tǒng)，上位機(jī)連接電機(jī)控制器，發(fā)送運(yùn)動模式指令到電機(jī)控制器，對電機(jī)控制器進(jìn)行控制；

電機(jī)控制器連接設(shè)置在機(jī)械傳動裝置上的直流無刷電機(jī)2，輸出對直流無刷電機(jī)2的控制信號，對其進(jìn)行控制；同時接收設(shè)置于機(jī)械傳動裝置上電感式脈沖編碼器1反饋的電機(jī)位置信號，對機(jī)械傳動裝置進(jìn)行閉環(huán)控制。

所述機(jī)械傳動裝置包括：

電感式脈沖編碼器1同軸連接直流無刷電機(jī)2，另一端連接電機(jī)控制器，發(fā)送電機(jī)控制器的控制信號，同時根據(jù)直流無刷電機(jī)2的轉(zhuǎn)動生成相應(yīng)的脈沖信號，并反饋到電機(jī)控制器；

扭矩傳感器5一端通過輸入聯(lián)軸器16同軸連接到減速箱3，減速箱3同軸連接直流無刷電機(jī)2；另一端通過輸出聯(lián)軸器14同軸連接輸出軸，輸出軸通過連接件7連接腳踏板9。

所述輸出軸包括固定于底板10上的軸承支座6，在軸承支座6內(nèi)設(shè)置兩個低脂潤滑脂封入型滾珠軸承，兩個軸承內(nèi)圈由套筒軸向固定，外圈由軸肩和軸承端蓋13進(jìn)行軸向固定。

還包括角度傳感器支座12固定于軸承端蓋13上，外殼11通過螺紋連接角度傳感器支座12，角度傳感器8通過外殼11固定其外圈，內(nèi)圈套在D形軸上，實(shí)時檢測出軸的轉(zhuǎn)動角度。

所述軸承端蓋13通過螺紋固定在軸承支座6上，且內(nèi)設(shè)置限位滑槽，與固定設(shè)置于連接件7上的銷子15配合，用于對踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的機(jī)械限位。

所述直流無刷電機(jī)2為設(shè)置有霍爾傳感器的盤式直流無刷電機(jī)，通過霍爾傳感器檢測當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，生成對應(yīng)方向的激勵電流，驅(qū)動直流無刷電機(jī)2轉(zhuǎn)動。

所述扭矩傳感器5采用應(yīng)變片電測技術(shù)。

所述輸入聯(lián)軸器16和輸出聯(lián)軸器14為法蘭聯(lián)軸器，通過平鍵與軸進(jìn)行聯(lián)接，并通過緊定螺釘來消除傳動間隙。

所述電機(jī)位置信號為：

其中，Θ_m為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Θ_d踝關(guān)節(jié)期望轉(zhuǎn)角，F(xiàn)為關(guān)節(jié)力矩，M為慣性參數(shù)、B為阻尼、K為剛度，s為復(fù)變量。

所述限位滑槽限定的角度范圍為患者的背屈最大轉(zhuǎn)角為40°，跖屈最大轉(zhuǎn)角為50°。

本實(shí)用新型具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：

1.本實(shí)用新型中的扭矩傳感器可以測量人腳或其他外界物體對踝關(guān)節(jié)設(shè)備的力信息，用這個力信息可以實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)設(shè)備進(jìn)行力保護(hù)以及對其進(jìn)行相應(yīng)的力控制。這種力矩傳感器與人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動動作比較匹配，很好地測量了踝關(guān)節(jié)的力信息。精度比較高，測量值得穩(wěn)定性比較好，反應(yīng)靈敏。

2.本實(shí)用新型的電感式脈沖編碼器可以實(shí)時檢測電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，利用此角度信息可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)準(zhǔn)確的位置控制，對可穿戴康復(fù)踝關(guān)節(jié)設(shè)備來說，保證電機(jī)位置的準(zhǔn)確控制就是保證康復(fù)的安全性，精度高，位置數(shù)據(jù)容易讀取，可編程型高，可配置性好，檢測響應(yīng)時間高。

3.本實(shí)用新型的通過角度傳感器實(shí)時檢測踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備末端的位置信息，因此可以踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動位置，方便實(shí)現(xiàn)末端位置的準(zhǔn)確控制，精度高，在做實(shí)驗(yàn)過程中，方便檢測與采集，抗干擾能力強(qiáng)，采集的電壓信號抖動較小，方便處理。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本實(shí)用新型的機(jī)械傳動裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本實(shí)用新型的角度傳感器安裝結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本實(shí)用新型的限位結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型的扭矩傳感器安裝示意圖；

其中，1為電感式脈沖編碼器、2為直流無刷電機(jī)、3為減速箱、4為電機(jī)支座、5為扭矩傳感器、6為軸承支座、7為連接件、8為角度傳感器、9為腳踏板、10為底板、11為外殼、12為角度傳感器支座、13為軸承端蓋、14為輸出聯(lián)軸器、15為銷子、16為輸入聯(lián)軸器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示為本實(shí)用新型的本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

上位機(jī)采用計算能力強(qiáng)大的PC機(jī),其主要作用是向下位機(jī)發(fā)送電機(jī)控制的命令,同時接收來自機(jī)器人角度傳感器8、扭矩傳感器5的反饋數(shù)據(jù)和下位機(jī)電機(jī)控制器的反饋數(shù)據(jù),并通過編制好的用戶界面程序?qū)崿F(xiàn)用戶與機(jī)器人的人機(jī)交互等功能。

下位機(jī)使用的是PC104,它與機(jī)器人的電機(jī)對應(yīng)的構(gòu)成電機(jī)電流、速度、位置的閉環(huán)控制,直接控制直流無刷電機(jī)2執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的命令；用戶通過上位機(jī)編制好的用戶界面程序,可以對踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備發(fā)出命令并對機(jī)器人的動作和運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測及控制,保證機(jī)器人按照要求有效的配合患者完成踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。

病人坐在座椅上，支撐架為病人小腿提供一定的支撐力，醫(yī)生通過電腦顯示器進(jìn)行康復(fù)操作，為病人設(shè)定相應(yīng)的康復(fù)模式，幫助病人的踝關(guān)節(jié)活動；整個機(jī)械傳動部分安放在底架上。

如圖2所示為本實(shí)用新型的機(jī)械傳動裝置結(jié)構(gòu)圖。

電感式脈沖編碼器1、盤式直流無刷電機(jī)2、減速箱3、扭矩傳感器5、軸承支座6、連接件7、角度傳感器8在機(jī)械結(jié)構(gòu)上為同軸線安裝；其中減速箱3通過電機(jī)支座4固定在底板10上，電感式脈沖編碼器1每圈可計數(shù)512個脈沖，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出軸的精確控制；帶霍爾傳感器的盤式直流無刷電機(jī)2，用于提供驅(qū)動力輸出；減速箱3，用于降低轉(zhuǎn)速，提高驅(qū)動力矩。

該踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備傳動部分包括：依次串聯(lián)的電感式脈沖編碼器、帶霍爾傳感器的直流盤式無刷電機(jī)、減速箱、輸入聯(lián)軸器、扭矩傳感器、輸出聯(lián)軸器、低脂潤滑脂封入型滾珠軸承、套筒、連接件，還包括：電機(jī)控制器，連接到電感式脈沖編碼器的數(shù)據(jù)線并為其提供電源，同時連接到直流無刷電機(jī)的霍爾傳感器數(shù)據(jù)線和電源線，并連接到無刷電機(jī)的電力線，通過霍爾傳感器信號檢測當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子位置從而生成對應(yīng)方向的激勵電流驅(qū)動無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)的轉(zhuǎn)動將帶動同軸安裝的電感式脈沖編碼器產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號輸入到電機(jī)控制器，電機(jī)控制器通過對編碼器的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)從而精確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度和位置，通過控制流過電機(jī)電力線的電流從而控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子通常具有較高的額定轉(zhuǎn)速，通過在電機(jī)輸出軸上安裝一個適當(dāng)減速比的減速箱，來降低關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速，提高驅(qū)動力矩。

優(yōu)選地，在輸出軸末端安裝有角度傳感器，該傳感器的輸出量為絕對值，其值掉電不丟失，任何時候設(shè)備接通電源后均可以隨時獲得輸出軸的絕對位置，用來補(bǔ)充電感式脈沖編碼器提供的位置信息給電機(jī)控制器，從而實(shí)現(xiàn)扭矩傳感器輸出軸的絕對位置控制。

優(yōu)選地，踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備機(jī)械傳動部分的扭矩傳感器采用應(yīng)變片電測技術(shù)。

優(yōu)選地，踝關(guān)節(jié)的角度控制采用阻抗控制算法，該算法利用扭矩傳感器信號控制關(guān)節(jié)的輸出力矩，從而保證患者康復(fù)過程的安全。該算法采用如下公式計算關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)角，即電感式脈沖編碼器提供的位置信息：

其中，Θ_m為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Θ_d踝關(guān)節(jié)期望轉(zhuǎn)角，F(xiàn)為關(guān)節(jié)力矩，即扭矩傳感器輸出信號，通過頻域變換生成期望轉(zhuǎn)角偏差的大小，并與期望轉(zhuǎn)角作差，生成電機(jī)角度控制指令并發(fā)送到電機(jī)控制器；M為慣性參數(shù)、B為阻尼、K為剛度，s為復(fù)變量。

踝關(guān)節(jié)是人體負(fù)重最大的屈戍關(guān)節(jié)，由脛骨遠(yuǎn)端、距骨、腓骨遠(yuǎn)端及周圍韌帶組成，站立時全身重量均落到踝關(guān)節(jié)上。日常生活中的行走、跳躍活動，主要依靠踝關(guān)節(jié)的背伸和跖屈運(yùn)動。當(dāng)各種原因造成全身多處骨折、截癱或老年人下肢骨折等，導(dǎo)致患者長期臥床時，會引起嚴(yán)重的并發(fā)癥，即踝關(guān)節(jié)跖屈畸形，即使患者能站立起來也無法正常行走。

本實(shí)用新型提出的康復(fù)裝置幫助踝關(guān)節(jié)在被動的情況下可背伸0:40°、跖屈0:50°，并能根據(jù)患者的個體情況設(shè)置不同的運(yùn)動角度與時間，且能緩慢、連續(xù)往返式運(yùn)動，這對于那些踝關(guān)節(jié)不能或較難進(jìn)行主動活動的病人防止踝關(guān)節(jié)僵硬及防止下肢肌肉萎縮，將有良好的作用。

如圖3所示為本實(shí)用新型的角度傳感器安裝結(jié)構(gòu)圖。

角度傳感器8通過外殼11固定其外圈，內(nèi)圈套在D形軸上，實(shí)時檢測出軸的轉(zhuǎn)動角度，外殼11通過螺紋連接角度傳感器支座12，角度傳感器支座12固定在軸承端蓋13上。

如圖4所示為本實(shí)用新型的限位結(jié)構(gòu)示意圖。

軸承端蓋14通過螺紋固定在軸承支座6上，軸承端蓋14上的滑槽是對踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的機(jī)械限位，進(jìn)一步保障了人機(jī)交互的安全性。銷子15安裝在轉(zhuǎn)軸和踏板的連接件上，隨轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動，軸承端蓋14限定了患者的背屈最大轉(zhuǎn)角為40°，跖屈最大轉(zhuǎn)角為50°。

如圖5所示為本實(shí)用新型的扭矩傳感器安裝示意圖。

輸入聯(lián)軸器16通過鍵聯(lián)接了減速箱輸出軸和扭矩傳感器5，輸出聯(lián)軸器14通過鍵聯(lián)接了扭矩傳感器5和輸出軸部分；輸入聯(lián)軸器16、輸出聯(lián)軸器14均通過緊定螺釘消除了鍵傳動時的松動間隙，使康復(fù)設(shè)備更安全有效地運(yùn)行。

扭矩傳感器，采用應(yīng)變片電測技術(shù),在彈性軸上組成應(yīng)變橋,向應(yīng)變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應(yīng)變信號放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號。