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CN109316716B - 一种基于力信号的主被动融合脚踝康复装置 - Google Patents

一种基于力信号的主被动融合脚踝康复装置 Download PDF

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CN109316716B CN201811308068.0A CN201811308068A CN109316716B CN 109316716 B CN109316716 B CN 109316716B CN 201811308068 A CN201811308068 A CN 201811308068A CN 109316716 B CN109316716 B CN 109316716B
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Abstract

本发明涉及一种基于力信号的主被动融合脚踝康复装置，包括底座，所述底座上间隔设置有三根由直线电机驱动升降的立式驱动轴，位于立式驱动轴的上端设置有康复运动平台，所述康复运动平台包括自下而上依次设置的底层康复运动座板、中层康复运动座板和用于放置患者足部的顶层康复运动座板，所述底层康复运动座板上放置有力传感器，所述力传感器与中层康复运动座板固定连接，所述康复运动平台内设置有用于分别控制直线电机和力传感器的控制系统。该基于力信号的主被动融合脚踝康复装置结构紧凑，可依据患者身体情况制定相适应的康复运动轨迹。

Description

一种基于力信号的主被动融合脚踝康复装置
技术领域
本发明涉及一种基于力信号的主被动融合脚踝康复装置。
背景技术
现有的脚踝康复机器人，提供的康复策略中的康复运动轨迹，多是基于机构运动学，通过修改特定的运动参数生成，不能适应不同患者的身体情况，并且患者在康复过程中只能被动地跟随康复运动平台运动，对于处于不同康复阶段、脚踝运动能力不同的患者不具有通用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于力信号的主被动融合脚踝康复装置，结构紧凑，可依据患者身体情况制定相适应的康复运动轨迹。
本发明的技术方案在于：一种基于力信号的主被动融合脚踝康复装置，包括底座，所述底座上间隔设置有三根由直线电机驱动升降的立式驱动轴，位于立式驱动轴的上端设置有康复运动平台，所述康复运动平台包括自下而上依次设置的底层康复运动座板、中层康复运动座板和用于放置患者足部的顶层康复运动座板，所述底层康复运动座板上放置有力传感器，所述力传感器与中层康复运动座板固定连接，所述康复运动平台内设置有用于分别控制直线电机和力传感器的控制系统。
进一步地，所述底座包括底板，所述底板上方设置有护栏安装板，位于底板和护栏安装板之间间隔设置有三个立式直线电机，所述直线电机的输出端穿过护栏安装板与立式驱动轴相连接。
进一步地，所述护栏安装板的两侧部分别立式设置有支撑杆，位于两支撑杆的上端之间卧式设置有两端与对应的支撑杆转动连接的弧形摇杆，所述弧形摇杆的中部转动连接有Z型连杆，所述Z型连杆的另一端与设置于顶层康复运动座板上端面上的脚踏板固定连接。
进一步地，所述底层康复运动座板上设置有四个依照二维坐标轴的正负半轴分布的凹槽，所述凹槽上设置有用于在底层康复运动座板上安装力传感器的第一通孔。
进一步地，所述力传感器经三个连接螺栓固定于底层康复运动座板，所述凹槽的中心距离底层康复运动座板的中心的距离皆为80mm。
进一步地，所述中层康复运动座板经连接螺栓与底层康复运动座板联接，中层康复运动座板上与力传感器相对应部位设置有第二通孔，所述第二通孔内设置有缓冲弹簧。
进一步地，所述中层康复运动座板上设置有用于放置顶层康复运动座板的凹腔，所述凹腔的外圈上设置有四个半圆柱形凹槽，所述顶层康复运动座板的外圈对应设置有四个与半圆柱形凹槽相配合的半圆柱凸部。
进一步地，所述顶层康复运动座板的底面对应设置有四个圆柱形凸起，所述圆柱形凸起穿过中层康复运动座板上的第二通孔及第二通孔内的缓冲弹簧与安装于底层康复运动座板凹槽内的力传感器的变形区相抵接。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
该基于力信号的主被动融合脚踝康复装置结构紧凑，基于力传感器反馈的患者足部运动趋势的力信号，控制康复运动平台主动跟随患者足部运动，并依据患者身体情况制定相适应的主动康复运动轨迹与被动康复运动轨迹，实现适应患者情况的主被动康复功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的康复运动平台的结构示意图；
图3为本发明的底层康复运动座板的结构示意图；
图4为本发明的中层康复运动座板的结构示意图；
图5为本发明的顶层康复运动座板的结构示意图；
图6为本发明的力矩合成示意图；
图7为本发明的电机转速的时域响应图；
图8为本发明的空间几何法示意图一；
图9为本发明的空间几何法示意图二；
图10为本发明的空间几何法示意图三；
图中：1-底板 2-护栏安装板 3-直线电机 4-立式驱动轴 5-支撑杆 6-弧形摇杆7-Z型连杆 100-康复运动平台 110-底层康复运动座板 111-凹槽 112-第一通孔 120-中层康复运动座板 121-第二通孔 122-凹腔 123-半圆柱形凹槽 130-顶层康复运动座板131-半圆柱凸部 132-脚踏板。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1至图10
一种基于力信号的主被动融合脚踝康复装置，包括底座，所述底座上间隔设置有三根由直线电机3驱动升降的立式驱动轴4，位于立式驱动轴的上端设置有康复运动平台100，所述康复运动平台包括自下而上依次设置的底层康复运动座板、中层康复运动座板和用于放置患者足部的顶层康复运动座板，所述底层康复运动座板上放置有力传感器，所述力传感器与中层康复运动座板固定连接。所述康复运动平台内设置有用于分别控制直线电机和力传感器的控制系统，以便根据力传感器反馈的信息控制直线电机运动。
本实施例中，所述底座包括底板1，所述底板上方设置有护栏安装板2，位于底板和护栏安装板之间间隔设置有三个立式直线电机3，所述直线电机的输出端穿过护栏安装板与立式驱动轴相连接，从而驱动立式驱动轴升降。
本实施例中，所述护栏安装板的两侧部分别立式设置有支撑杆5，位于两支撑杆的上端之间卧式设置有两端与对应的支撑杆转动连接的弧形摇杆6，所述弧形摇杆的中部转动连接有Z型连杆7，所述Z型连杆的另一端与设置于顶层康复运动座板上端面上的脚踏板132固定连接，脚踏板用于患者患者足部。通过弧形摇杆和Z型连杆配合来对脚踏板Y方向上的运动进行限位。
本实施例中，所述底层康复运动座板上设置有四个依照二维坐标轴的正负半轴分布的凹槽111，所述凹槽上设置有用于在底层康复运动座板上安装力传感器的第一通孔112，以便更好的安装力传感器。
本实施例中，所述力传感器经三个连接螺栓固定于底层康复运动座板，所述凹槽的中心距离底层康复运动座板的中心的距离皆为80mm，从而保证更好的反馈力信号。
本实施例中，所述中层康复运动座板经M4连接螺栓与底层康复运动座板联接，中层康复运动座板上与力传感器相对应部位设置有第二通孔121，所述第二通孔内设置有缓冲弹簧，以便顶层康复运动座板与中层康复运动座板弹性连接。
本实施例中，所述中层康复运动座板上设置有用于放置顶层康复运动座板的凹腔122，所述凹腔的外圈上设置有四个半径为5mm的半圆柱形凹槽123，所述顶层康复运动座板的外圈对应设置有四个半径为5mm用于与半圆柱形凹槽相配合的半圆柱凸部131，用于限制顶层康复运动座板的五个三维空间运动自由度，仅保留三维空间z方向的自由度。
本实施例中，所述顶层康复运动座板的底面对应设置有四个长为8mm的圆柱形凸起（图中未绘制出），所述圆柱形凸起穿过中层康复运动座板上的第二通孔及第二通孔内的缓冲弹簧与安装于底层康复运动座板凹槽内的力传感器的变形区相抵接。
工作原理：进行康复运动时，患者将足部放置于顶层康复运动座板上，顶层康复运动座板的底面有四个圆柱型突出，圆柱型突出穿过中层康复运动座板上设有的通孔，压在安装于底层康复运动座板上的凹槽内的力传感器，实现力信号的传递。并且，中层康复运动座板上设有半圆柱形凹槽与顶层康复运动座板外轮廓上的半圆柱形凸起相匹配，用于限制顶层康复运动座板的五个三维空间运动自由度，顶层康复运动座板仅保留垂直方向的自由度。患者依照自身运动意图轻微运动足部，安装于康复运动平台上的力传感器将采集足部的力信号，基于采集到的信号，通过阈值法判断机器人是否开始康复运动。
基于力传感器反馈康复运动平台上的足部运动过程中的力信号，通过阈值法判断机器人是否开始康复运动，通过识别算法，识别足部运动趋势，并且通过修正合成力矩算法，得到康复运动平台在三维空间运动的转轴，通过角动量守恒算法，得到康复运动平台在三维空间运动的转角，实现足部力与康复运动平台运动参数的转化。
具体如下，由图7可得，通过传感器反馈的力信号，对同一坐标轴上的力矢量进行合成计算，可得力矩、/>。
通过合成力矩公式，得到合成力矩大小与方向余弦值为
方向余弦值即为转轴的方向向量与坐标轴夹角的余弦值，由此可得转轴方向。
根据角动量守恒定理，可以计算外力矩作用下的踏板运动角度的进给量。
其中I为转动惯量，r为质心到转动轴的距离。又由设置于控制系统内的运动控制卡的速度控制闭环可得电机角速度响应的拉氏方程，并对其做反拉氏变换，得到其在时域内的方程。
。
康复运动平台在三维空间内的运动由三根驱动轴控制，基于康复运动平台在三维空间运动的转轴与转角，通过运动学逆解算法，得到三根驱动轴在三维空间内z方向的运动进给量，生成机器人的主动康复运动轨迹，控制康复运动平台于三维空间内完成脚踝的主动康复运动。
具体由图7可知，角速度ω为指数函数，所以可以近似认为，在初始时刻为角速度最大值，之后下降为0，即每次电机响应时，电机都由静止启动，响应结束后停止。所以当角加速度确定后，可得转角为：
基于康复运动平台在三维空间运动的转轴与转角，可得旋量坐标，其中ω是表示关节旋转运动的转轴方向的矢量，υ=-ω×q，q为转轴ω上的一点，ω与υ都是矢量，进而可得各关节的运动旋量/>，运动学中，通过传递函数描述刚体运动，旋量法描述的运动传递函数为/>，
其中，，
为转轴矢量，表示为/>。
在运动学中，通过欧拉法描述旋转运动时，其传递函数描述为
其中分别表示绕空间坐标轴y与x的转角，将旋量法的传递函数与欧拉法的传递函数联立，可得：
如图8、9、10所示，通过空间几何法，可得三根驱动轴z方向的伸长量为
。
如此，重复上述步骤，便得到该装置的主动康复运动轨迹，控制康复运动平台于三维空间内完成脚踝的主动康复运动。
对于被动康复轨迹，主动康复运动轨迹作为被动康复轨迹的原始轨迹，通过拟合算法，拟合出轨迹曲线更为平滑且运动幅度可调的与患者相适应的被动康复运动轨迹，由于使用患者主动康复运动轨迹作为原始轨迹，故得到的被动康复运动轨迹对于患者具有更好的适应性，且该被动康复运动轨迹曲线更为平滑且运动幅度可调，并可通过调整拟合算法中的参数，生成不同运动幅度的被动康复运动轨迹，满足不同康复效果需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的一种基于力信号的主被动融合脚踝康复装置并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种基于力信号的主被动融合脚踝康复装置，包括底座，其特征在于，所述底座上间隔设置有三根由直线电机驱动升降的立式驱动轴，位于立式驱动轴的上端设置有康复运动平台，所述康复运动平台包括自下而上依次设置的底层康复运动座板、中层康复运动座板和用于放置患者足部的顶层康复运动座板，所述底层康复运动座板上放置有力传感器，所述力传感器与中层康复运动座板固定连接，所述康复运动平台内设置有用于分别控制直线电机和力传感器的控制系统；所述底座包括底板，所述底板上方设置有护栏安装板，位于底板和护栏安装板之间间隔设置有三个立式直线电机，所述直线电机的输出端穿过护栏安装板与立式驱动轴相连接；所述护栏安装板的两侧部分别立式设置有支撑杆，位于两支撑杆的上端之间卧式设置有两端与对应的支撑杆转动连接的弧形摇杆，所述弧形摇杆的中部转动连接有Z型连杆，所述Z型连杆的另一端与设置于顶层康复运动座板上端面上的脚踏板固定连接；所述底层康复运动座板上设置有四个依照二维坐标轴的正负半轴分布的凹槽，所述凹槽上设置有用于在底层康复运动座板上安装力传感器的第一通孔；所述力传感器经三个连接螺栓固定于底层康复运动座板，所述凹槽的中心距离底层康复运动座板的中心的距离皆为80mm；所述中层康复运动座板经连接螺栓与底层康复运动座板联接，中层康复运动座板上与力传感器相对应部位设置有第二通孔，所述第二通孔内设置有缓冲弹簧；所述中层康复运动座板上设置有用于放置顶层康复运动座板的凹腔，所述凹腔的外圈上设置有四个半圆柱形凹槽，所述顶层康复运动座板的外圈对应设置有四个与半圆柱形凹槽相配合的半圆柱凸部；所述顶层康复运动座板的底面对应设置有四个圆柱形凸起，所述圆柱形凸起穿过中层康复运动座板上的第二通孔及第二通孔内的缓冲弹簧与安装于底层康复运动座板凹槽内的力传感器的变形区相抵接。
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