專利名稱：一種踝足康復儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種康復訓練儀，尤其是一種踝足康復儀，屬于機電一體化領域。
背景技術：
目前，解決踝足下垂、內翻的方法除了運動康復訓練之外，步行時使用固定并且有 助于恢復踝足關節的踝足康復訓練儀也是臨床常用的方法，并且效果很好。目前常用的傳 統踝足康復訓練儀器有時也被稱作踝足矯形器，主要有三 種穿戴固定式、動態踝足矯形 器、動力性踝足矯形器。固定式價格便宜、使用方便。經過臨床證明，使用它可以穩定踝關節，降低踝關節 的痙攣，提高站立平衡能力，改善步行能力。但它是固定的，它會阻礙踝關節的動作，限制了 向前蹬地的動作，阻礙了踝關節的主動穩定性和平衡反應。這些缺點阻礙了踝足矯形器的 應用并且會引起一些預想不到的不良后果。動態踝足矯形器在踝關節處加裝了有可調節角度的金屬關節，可以根據踝關節下 垂的程度調節關節角度，其比固定式改進了很多。但是它不能根據正常踝關節生理運動軌 跡主動提供運動軌跡主動提供所缺動力。動力性可以根據踝關節生理運動軌跡主動提供動力，現在的研究大多集中于在康 復儀的前部和后部加氣動肌肉來控制儀行走時的踝關節的背屈和跖屈運動。這種系統重量 比較大，便攜性差，且不易控制。總而言之，對于以往傳統的固定式踝足康復訓練儀，它不能隨人體足部的運動而 變化，不利于足部殘疾患者的訓練康復。而對于以往的動態踝足康復訓練儀，盡管她在踝關 節處裝有金屬關節，但是其不能根據人的踝部運動主動提供力與運動。對于以往的動力型 踝足康復訓練儀大多采用氣動肌肉，它施力往往很突然，不易控制，而且體積往往很龐大。本發明就是考慮使用電機械控制來完成踝關節的背屈和跖屈運動，目前國內外未 見報道。
發明內容
本發明的目的是設計了一種踝足康復儀，該踝足康復儀幫助步態有問題的患者行 走，并且訓練他們早日康復。本發明所涉及機械結構系統包括假肢固定機構和傳動機構，其中機制固定機構 分為小腿、踝部和足部，它們均根據人體工程學進行設計。傳動機構將電機的運動轉化為踝 關節的運動。本發明所涉及的控制系統包括基于人足部運動的路徑規劃系統；用于同外界環 境交互的傳感器系統；控制伺服電機的伺服控制系統。這些控制系統將很好的控制上述機 械結構系統，完成很好的工作。具體工作方案為機械結構部件包括小腿后擋板、帶有伺服電機和控制器的小腿前擋板、金屬鉸鏈、足穿戴部分、角度傳感器、足傳感部分、鉸鏈、螺帽、螺桿、萬向聯軸器；小腿后擋板與帶 有伺服電機和控制器的小腿前擋板活動鏈接。其中小腿后擋板為活門設計，其中，足穿戴部 分指模擬鞋的結構；其連接關系為小腿后擋板、帶子和帶有伺服電機和控制器的小腿前擋板構成了小腿穿戴部分，通過金屬鉸鏈與足穿戴部分相連接，金屬鉸鏈上固連有角度傳感器；在足 穿戴部分的底端，根據人步行時的落地點，分別分布有一個或一個以上的力傳感器，這構成 了足傳感部分，螺帽和螺桿構成了一個絲杠螺紋副結構，足穿戴部分的兩側通過相應的鉸 鏈與絲杠螺紋副結構中的螺帽固連，螺桿通過萬向聯軸器與小腿前擋板中的伺服電機相連 接；控制器中包括足部運動規劃模塊，位置控制模塊、速度控制模塊、電流控制模塊、 位置采樣模塊；其中，足部運動規劃模塊指預先根據經驗或實驗數據設定好足部恢復指標，并組 成的數據庫，放入足部運動規劃模塊以供調用；位置控制模塊指將足部運動規劃模塊內的足部恢復指標通過微分處理計算出理 想中的足部恢復位置指標與實際足部恢復或移動的位置指標的差異，速度控制模塊指當位置控制模塊確定需要移動的位置并將其傳給速度控制模塊， 由它通過微分處理計算將其分解成每一等分時間位置所需要的平均速度，并結合恢復人本 身的情況，決定需要移動的位置所需要的速度；電流控制模塊指為了防止電流輸出時對人體的傷害，設電流控制門限，在門限之 內，為電流值正常，則驅動恢復踝足康復儀進行工作，如果在門限之外一次，則暫停踝足康 復儀工作，再測，連續三次超過門限之外，則認為踝足康復儀可能產生故障，向踝足康復儀 發出停止命令。位置采樣模塊，接受力傳感器和角度傳感器傳來的信號，并發給相關模塊；連接關系足部運動規劃模塊與位置采樣模塊和位置控制模塊相連，位置控制模 塊與位置采樣模塊又與速度控制模塊相連，同時，速度控制模塊又和電流控制模塊和踝足 康復儀的伺服電機12相連，位置采樣模塊與傳感器相連；機械工作過程它通過金屬鉸鏈與足穿戴部分相連接，金屬鉸鏈上固連有角度傳 感器，角度傳感器可以實時檢測人行走時小腿與足的角度和角速度。足穿戴部分通過鉸鏈 與螺帽固連，螺帽和螺桿構成了一個絲杠螺紋副結構，該螺紋副結構可以把螺桿的旋轉運 動轉化成螺帽的上下平移運動。螺桿通過萬向聯軸器與伺服電機相連接。這樣控制器可以 控制伺服電機的轉動，伺服電動的轉動通過萬向聯軸器轉化為螺桿的轉動，螺桿的轉動通 過螺桿和螺帽的螺紋副轉化為螺帽的上下移動，從而達到控制目的。控制器內的工作過程以及驅動踝足康復儀機械部分的關系步驟一當踝足康復儀開始工作時，位置采樣模塊通過力傳感器和角度傳感器將 相關數據傳給位置控制模塊，同時，足部運動規劃模塊將設定好的相關恢復數據也傳給位 置控制模塊，在位置控制模塊進行對比分析，算出兩者之間的差距，并將該差距傳給速度控 制模塊。步驟二速度控制模塊將該差距換算成等分時間內的平均速度，并根據預先植入 該模塊的實際需要，確定實際需要的速度值，
步驟三，當速度控制模塊將實際需要的速度值作為電流形式輸出給伺服電機之 前，經過電流控制模塊進行監測；步驟四，在電流控制模塊的門限值的約束下，如果符合門限值的要求，則可傳給伺 服電機驅動踝足康復儀進行位置移動，如果不符合門限值的要求，則不傳給伺服電機，當電 流控制模塊三次監測電流都超過門限值的要求，則認為系統出現故障，停止進一步的操作。步驟五，踝足康復儀一旦進行位置移動，位置采樣模塊從傳感器中得到相關數據， 并以每一毫秒一次不間斷的將相關數據發給速度控制模塊，來調節位置移動的速度，此外， 位置采樣模塊中的時鐘開始記錄發出次數，累計到設定次數后，將最后一次的采樣結果在 發給速度控制模塊的同時，發給位置控制模塊，用來進一步校正足部運動規劃數據與位置 采樣數據之間的差距，如此循環往復，直到足部運動規劃數據與位置采樣數據之間的沒有 差距為止。有益效果本發明可以一定程度解決上述傳統的踝足康復訓練儀的問題，它具有以下特點1本發明采用上述的控制系統和機械結構相結合的系統，可以有效的彌補傳統踝 足康復訓練儀器的一些不足。本發明使用模糊PID的閉環結構控制伺服電機，然后通過機 械結構系統將控制好的伺服電機運動轉化為踝關節運動不僅控制穩定、準確而且易于實 現。本發明的機械結構系統采用螺紋螺桿傳動，既能拉又能壓，對踝足的康復更有利。本發 明的傳感器系統提供外界環境和儀本身的必要信息，是儀的“眼睛”。通過各種系統的有機 結合，本發明可以很好的幫助踝足殘疾患者訓練康復。2控制系統根據人足部運動規劃控制伺服電機運動，其控制很平穩并且精確性和 易實現性都很好。而使用伺服電機驅動，其體積重量會大大減輕，便攜性大大提高。3伺服電機的運動通過機械傳動系統，將伺服電機的運動轉化為踝關節運動。由于 伺服電機的運動是根據人的足部運動進行規劃的，所以通過機械系統傳遞的儀踝關節運動 也可以很好的跟蹤人的足部運動。4.本發明的控制軟件采用嵌入式的編程思想，以提高軟件工作的效率以及增強其 可抗干擾能力。此為，該軟件還與外設調試或數據讀取計算機留有預設的接口，這為醫療人 員運用其他儀器對患者的康復治療的效果分析與評估具有重要的作用。
圖1為具體實施例的總體系統結構圖。圖2為具體實施例的左視圖。圖3為具體實施例的前側視圖。圖4為具體實施例的后側視圖。圖5為具體實施例的下側視圖。1-小腿后擋板、2-帶子、3-帶有伺服電機12和控制器的小腿前擋板、5_金屬鉸 鏈、9-足穿戴部分、4-角度傳感器、11-足傳感部分、10-鉸鏈、8-螺帽、7-螺桿、6-萬向聯軸 器；圖6為具體實施例的控制系統框圖。
具體實施例方式并結合
對本技術方案進行進一步的闡述。本具體實施方式
的機械系統結構如圖2、3、4所示。部件包括小腿后擋板1、帶子2、帶有伺服電機12和控制器的小腿前擋板3、金屬鉸鏈5、足穿戴部分9、角度傳感器4、足傳感部分11、鉸鏈10、螺帽8、螺桿7、萬向聯軸器6 ； 小腿后擋板1通過帶子2與帶有伺服電機和控制器的小腿前擋板3連接。其中小腿后擋板 1為活門設計，以方便穿戴。其中，足穿戴部分9指模擬鞋的結構，其連接關系為小腿后擋板1、帶子2和帶有伺服電機和控制器的小腿前擋板3構 成了小腿穿戴部分，通過金屬鉸鏈5與足穿戴部分9相連接，金屬鉸鏈5上固連有角度傳感 器4 ；在足穿戴部分9的底端，根據人步行時的落地點，分別分布有一個或一個以上的力傳 感器，此外，在足穿戴部分9的前端也布有一個或一個以上的力傳感器，這構成了足傳感部 分11，螺帽8和螺桿7構成了一個絲杠螺紋副結構，足穿戴部分9的兩側通過相應的鉸鏈 10與絲杠螺紋副結構中的螺帽8固連，螺桿7通過萬向聯軸器6與小腿前擋板中的伺服電 機相連接；控制部分包括足部運動規劃模塊，位置控制模塊、速度控制模塊、電流控制模塊、 位置采樣模塊，其中，足部運動規劃模塊指預先根據經驗或實驗數據設定好足部恢復指標，并組 成的數據庫，放入足部運動規劃模塊以供調用；由于人行走時的足部姿態分為三個階段，第 一個階段，腳面抬起，腳后跟著地，腳與小腿的夾角由小變大，第二個階段腳完全著地，身體 重心前傾，此時腳與小腿的夾角由大變小。足與地面的作用力最大，第三個階段，蹬地腳抬 離地面后，此時腳與小腿的夾角由小變大再由大變小，在足與地面接觸力最小時，足與小腿 的夾角達到最大。根據力以及足與小腿的夾角等，跟蹤踝關節的屈伸、旋轉角度隨時間的變 化曲線，規劃出足部運動姿態，并將其作為踝關節康復訓練儀控制系統的輸入。位置控制模塊指將足部運動規劃模塊內的足部恢復指標通過微分處理計算出理 想中的足部恢復位置指標與實際足部恢復或移動的位置指標的差異，速度控制模塊指當位置控制模塊確定需要移動的位置并將其傳給速度控制模塊， 由它通過微分處理計算將其分解成每一等分時間位置所需要的平均速度，一般為1毫秒為 一個等分單位，并結合恢復人本身的情況，決定需要移動的位置所需要的速度；電流控制模塊指為了防止電流輸出時對人體的傷害，設電流控制門限，在門限之 內，為電流值正常，則驅動恢復踝足康復儀進行工作，如果在門限之外一次，則暫停踝足康 復儀工作，再測，連續三次超過門限之外，則認為踝足康復儀可能產生故障，向踝足康復儀 發出停止命令。位置采樣模塊，接受力傳感器和角度傳感器傳來的信號，并發給相關模塊；連接關系足部運動規劃模塊與位置采樣模塊和位置控制模塊相連，位置控制模 塊與位置采樣模塊又與速度控制模塊相連，同時，速度控制模塊又和電流控制模塊和踝足 康復儀的伺服電機12相連，位置采樣模塊與傳感器相連；機械工作過程它通過金屬鉸鏈5與足穿戴部分9相連接，金屬鉸鏈5上固連有角 度傳感器4，角度傳感器4可以實時檢測人行走時小腿與足的角度和角速度。在足穿戴部分 9的底端，根據人步行時的落地點，分別分布有一個或一個以上的力傳感器，可以檢測出人足在步行時所受的力并判斷出人處于步行的哪個步態，足穿戴部分9通過鉸鏈10與螺帽8 固連，螺帽8和螺桿7構成了一個絲杠螺紋副結構，該螺紋副結構可以把螺桿7的旋轉運動 轉化成螺帽8的上下平移運動。螺桿7通過萬向聯軸器6與伺服電機12相連接。這樣控 制器可以控制伺服電機12的轉動，伺服電動12的轉動通過萬向聯軸器6轉化為螺桿7的 轉動，螺桿7的轉動通過螺桿7螺帽8的螺紋副轉化為螺帽8的上下移動，從而達到控制目 的。控制工作過程步驟一當踝足康復儀開始工作時，位置采樣模塊通過力傳感器和 角度傳感器將 相關數據傳給位置控制模塊，同時，足部運動規劃模塊將設定好的相關恢復數據也傳給位 置控制模塊，在位置控制模塊進行對比分析，算出兩者之間的差距，并將該差距傳給速度控 制模塊。步驟二速度控制模塊將該差距換算成等分時間內的平均速度，并根據預先植入 該模塊的實際需要，確定實際需要的速度值，步驟三，當速度控制模塊將實際需要的速度值作為電流形式輸出給伺服電機12 之前，經過電流控制模塊進行監測；步驟四，在電流控制模塊的門限值的約束下，如果符合門限值的要求，則可傳給伺 服電機12驅動踝足康復儀進行位置移動，如果不符合門限值的要求，則不傳給伺服電機 12，當電流控制模塊三次監測電流都超過門限值的要求，則認為系統出現故障，停止進一步 的操作。步驟五，踝足康復儀一旦進行位置移動，位置采樣模塊從傳感器中得到相關數據， 并以每一毫秒一次不間斷的將相關數據發給速度控制模塊，來調節位置移動的速度，此外， 位置采樣模塊中的時鐘開始記錄發出次數，累計到設定次數后，將最后一次的采樣結果在 發給速度控制模塊的同時，發給位置控制模塊，用來進一步校正足部運動規劃數據與位置 采樣數據之間的差距，如此循環往復，直到足部運動規劃數據與位置采樣數據之間的沒有 差距為止。本發明中小腿后擋板1、帶有伺服電機、控制器的小腿前擋板3、足穿戴部分9的材 料是碳素纖維并根據人體工程學設計。鉸鏈5和鉸鏈10是金屬的。本發明包括但不限于以上實施例，凡是在本發明的精神和原則之下對本發明進行 的任何局部改進或等同替換，都將視為在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種踝足康復儀，其特征在于機械結構部件包括小腿后擋板(1)、帶有伺服電機(12)和控制器的小腿前擋板(3)、金屬鉸鏈(5)、足穿戴部分(9)、角度傳感器(4)、足傳感部分(11)、鉸鏈(10)、螺帽(8)、螺桿(7)、萬向聯軸器(6)；機械連接關系為小腿后擋板(1)以及帶有伺服電機(12)和控制器的小腿前擋板(3)構成了小腿穿戴部分，通過金屬鉸鏈(5)與足穿戴部分(9)相連接，金屬鉸鏈(5)上固連有角度傳感器(4)；在足穿戴部分(9)的底端，分別分布有一個或一個以上的力傳感器，這構成了足傳感部分，螺帽(8)和螺桿(7)構成一個絲杠螺紋副結構，足穿戴部分的兩側通過相應的鉸鏈(10)與絲杠螺紋副結構中的螺帽(8)固連，螺桿通過萬向聯軸器(6)與小腿前擋板中的伺服電機(12)相連接；控制器中包括足部運動規劃模塊，位置控制模塊、速度控制模塊、電流控制模塊、位置采樣模塊；足部運動規劃模塊指預先根據經驗或實驗數據設定好足部恢復指標，并組成的數據庫，放入足部運動規劃模塊以供調用；位置控制模塊指將足部運動規劃模塊內的足部恢復指標通過微分處理計算出理想中的足部恢復位置指標與實際足部恢復或移動的位置指標的差異；速度控制模塊指當位置控制模塊確定需要移動的位置并將其傳給速度控制模塊，由它通過微分處理計算將其分解成每一等分時間位 置所需要的平均速度，并結合恢復人本身的情況，決定需要移動的位置所需要的速度；電流控制模塊指為了防止電流輸出時對人體的傷害，設電流控制門限，在門限之內，為電流值正常，則驅動恢復踝足康復儀進行工作，如果在門限之外一次，則暫停踝足康復儀工作，再測，連續三次超過門限之外，則認為踝足康復儀可能產生故障，向踝足康復儀發出停止命令；位置采樣模塊，接受力傳感器和角度傳感器傳來的信號，并發給位置控制模塊或速度控制模塊；連接關系足部運動規劃模塊與位置采樣模塊和位置控制模塊相連，位置控制模塊與位置采樣模塊又與速度控制模塊相連，同時，速度控制模塊又和電流控制模塊和踝足康復儀的伺服電機(12)相連，位置采樣模塊與傳感器相連；控制器內的工作過程以及驅動踝足康復儀機械部分的關系步驟一當踝足康復儀開始工作時，位置采樣模塊通過力傳感器和角度傳感器將相關數據傳給位置控制模塊，同時，足部運動規劃模塊將設定好的相關恢復數據也傳給位置控制模塊，在位置控制模塊進行對比分析，算出兩者之間的差距，并將該差距傳給速度控制模塊；步驟二速度控制模塊將該差距換算成等分時間內的平均速度，并根據預先植入該模塊的實際需要，確定實際需要的速度值，步驟三，當速度控制模塊將實際需要的速度值作為電流形式輸出給伺服電機之前，經過電流控制模塊進行監測； 步驟四，在電流控制模塊的門限值的約束下，如果符合門限值的要求，則可傳給伺服電機驅動踝足康復儀進行位置移動，如果不符合門限值的要求，則不傳給伺服電機，當電流控制模塊三次監測電流都超過門限值的要求，則認為系統出現故障，停止進一步的操作；步驟五，踝足康復儀一旦進行位置移動，位置采樣模塊從傳感器中得到相關數據，并以每一毫秒一次不間斷的將相關數據發給速度控制模塊，來調節位置移動的速度，此外，位置采樣模塊中的時鐘開始記錄發出次數，累計到設定次數后，將最后一次的采樣結果在發給速度控制模塊的同時，發給位置控制模塊，用來進一步校正足部運動規劃數據與位置采樣數據之間的差距，如此循環往復，直到足部運動規劃數據與位置采樣數據之間的沒有差距為止；機械工作過程它通過金屬鉸鏈(5)與足穿戴部分(9)相連接，金屬鉸鏈(5)上固連有角度傳感器(4)，角度傳感器(4)可以實時檢測人行走時小腿與足的角度和角速度；足穿戴部分(9)通過鉸鏈(10)與螺帽(8)固連，螺帽(8)和螺桿(7)構成了一個絲杠螺紋副結構，該螺紋副結構可以把螺桿(7)的旋轉運動轉化成螺帽(8)的上下平移運動；螺桿(7)通過萬向聯軸器(6)與伺服電機(12)相連接；這樣控制器可以控制伺服電機(12)的轉動，伺服電動(12)的轉動通過萬向聯軸器(6)轉化為螺桿(7)的轉動，螺桿(7)的轉動通過螺桿(7)螺帽(8)的螺紋副轉化為螺帽(8)的上下移動，從而達到控制目的。
2.根據權利要求1所述的一種踝足康復儀，其特征在于小腿后擋板與帶有伺服電機 和控制器的小腿前擋板(3)活動鏈接，而足穿戴部分(9)指模擬鞋的結構。
全文摘要
本發明涉及一種踝足康復儀，其機械結構系統包括根據人體工程學設計的類假肢固定裝置；小腿后擋板、帶有伺服電機和控制器的小腿前擋板、金屬鉸鏈、足穿戴部分、角度傳感器、足傳感部分、鉸鏈、螺帽、螺桿、萬向聯軸器；所涉及的控制系統包括基于人足部運動的路徑規劃系統；用于同外界環境交互的傳感器系統；控制伺服電機的伺服控制系統；具體為包括足部運動規劃模塊，位置控制模塊、速度控制模塊、電流控制模塊、位置采樣模塊，這些裝置結合在一起，可以很好的進行工作。電機械控制機械攜帶方便，并且相對于控制氣動肌肉要容易，并且穩定性和準確性要高得多。該踝足康復儀幫助步態有問題的患者行走，并且訓練他們早日康復。
文檔編號A61F5/01GK101828982SQ20101016480
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月7日 優先權日2010年5月7日
發明者戴福全, 李潮全, 胡延禎, 趙軍, 邵潔, 高學山 申請人:北京理工大學