CN104605868B - 一种下肢康复机器人足底多维传感装置 - Google Patents

Abstract

一种下肢康复机器人足底多维传感装置，主要包括足底支撑板、绷带、脚后跟挡块、力矩承压板、传感器、传感器支架、大支撑架、固定架、连接板、中间支撑板、挡板、导轨和滑块，患者的脚捆绑在足底支撑板上，当患者在矢状面内做直线运动、踏车运动时，足底多维传感装置通过七个传感器对应获取患者脚对足底板的力矩、摩擦力及垂直压力。本发明结构紧凑，成本低，可直接获取患者足底压力，摩擦力和力矩。

Description

一种下肢康复机器人足底多维传感装置

技术领域

本发明属于康复医疗器械，特别是一种下肢康复机器人的足底多维传感装置。

背景技术

下肢康复机器人是康复治疗技术与机器人技术结合的高新技术产物，主要用于恢复功能性障碍患者的下肢运动功能。中枢神经装置具有高度的可塑性，这已在神经康复领域得到有效阐明和验证，康复机器人带动患者重复训练，可使患者运动功能的可塑性达到最优，通过功能性的渐进性治疗，最终帮助患者重新获得运动功能。

燕山大学研发的多关节下肢康复机器人，具有被动训练、辅助训练和抗阻训练三种训练模式，而下肢康复机器人辅助训练的功能是通过识别患者的运动意图，跟随并辅助人体下肢完成既定轨迹运动的过程。

获取患者运动意图的技术中，基于生物电信号下的运动意图的获取是康复机器人领域近几年研究的热点，但这种运动信号的获取方式在国内外文献中还处于试验阶段，还未真正进入“运动意图”的实用化阶段。而力控制获取运动意图的技术比较成熟,基于力控制方法提出一种足底多维传感装置，用于获得患者下肢末端足底力，通过力平衡方程和力矩平衡方程计算得到患者下肢各关节力矩，进而依据此关节力矩,分析得到患者的运动意图，并利用PID算法来控制康复机器人各电机运动速度，驱动康复机器人机械臂带动患者进行单关节辅助训练和多关节辅助训练。

国内外研究足底力传感装置的学者专家比较多，但用于康复机器人足底力传感装置比较少。目前主要的有哈尔滨工程大学的张立勋等人，在专利《足底力传感器》中公开一种足底力传感器，它是由四根贴有应变片的悬臂梁组成的传感器，可实现除横向力之外的五维力/力矩测量，具有成本低，原理误差小，结构简单，耐用，可靠性高的特点。赵小文等人在《一种炭黑-硅橡胶足底压力分布测量装置》文章中提出的足底压力分布测量装置设计了一套成本低、操作简单、响应快、可用于人体足底压力分布测量装置，该装置是基于炭黑－硅橡胶良好的压敏特性，可以检测各种接触面的压力分布和大小，具有类似于皮肤柔韧性的触觉传感器，并且利用LabVIEW可编程软件，设计了人体足底压力分布测量装置，其软件编程简单灵活，人机交互界面直观，可移植性强，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点，该装置可实现人体足底压力分布的实时显示。

张立勋等人研究的足底力传感器是五维力传感器，而大部分现有的康复机器人都是研究人矢状面内的三个自由度，一个三维力传感器装置就足够了，降低装置运算量；而赵小文提出的足底力分布测量装置依靠分布在足底板不同位置传感器信号的变化来判断步态的变化，简单来说只测出了垂直于足底板的压力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、成本低、可直接获取患者多维足底压力、摩擦力和力矩的下肢康复机器人足底多维传感装置。本发明主要基于力控制方法提出一种下肢康复机器人足底多维传感装置，用于获得患者下肢末端足底受力情况，通过力平衡方程和力矩平衡方程计算得到患者下肢各关节力矩数据，进而依据此关节力矩数据分析得到患者的运动意图，并利用PID算法来控制康复机器人各电机运动规律，驱动康复机器人带动患者进行单关节和多关节辅助训练。

本发明的足底多维传感装置主要包括足底支撑板、绷带、脚后跟挡块、力矩承压板、传感器、传感器支架、大支撑架、固定架、连接板、中间支撑板、挡板、导轨和滑块。其中，足底支撑板为一个矩形框架，在该足底支撑板短边的一端设有脚后跟挡块，前后两条绷带分别固定在足底支撑板长边前后的边框上，用于缚住脚面。由两个立板和连接板构成的大支撑架通过两个立板固定在足底支撑板底面中间横向两侧的框架上，两个凵形第一传感器支架和第二传感器支架分别固定在大支撑架两侧的足底支撑板底面的框架上，第一传感器固定在第一传感器支架上，第二传感器固定在第二传感器支架上，在足底支撑板的中间设有力矩承压板，该力矩承压板长边的两侧中间分别设有支耳，销轴分别穿过该支耳与大支撑架上的通孔形成转动副，两个紧固螺钉分别固定在力矩承压板上与第一和第二传感器中心相对应的螺钉孔内，这两个螺钉与第一和第二传感器有适当的预紧力；凵形中间支撑板上设有两个通孔，上述大支撑架的两个立板分别穿过通孔后与连接板连接；第一挡板和第二挡板分别固定在足底支撑板下面的两侧，第三和第四传感器分别固定在第三和第四传感器连接板的外侧，第三和第四传感器连接板分别固定在上述中间支撑板两端的竖板外侧，两个紧固螺钉分别穿过第一和第二挡板上与第三和第四传感器相对应的螺纹孔，这两个螺钉与第三和第四传感器有适当的预紧力；在上述中间支撑板两端的竖板外侧各设有垂直小导轨，在该垂直小导轨上均设有小滑块，大导轨的两端固定在上述两个小导轨的下端，该大导轨上设有大滑块，该大滑块固定在上述大支撑架的连接板下面；第五、第六、第七传感器分别固定在中间支撑板的底面上，在大支撑架两个立板之间设有固定在力矩承压板底面的固定架，该固定架上的中心设有与第七传感器相对应的螺纹孔，通过紧固螺钉用于预紧第七传感器，当足底支撑板相对于中间支撑板有前后方向相对运动趋势时，传感器即可检测到患者脚的摩擦力；大导轨上设有与第五、第六传感器相对应的螺纹孔，通过紧固螺钉预紧剩余第五、第六两个传感器；固定架、大支撑架、连接板、大滑块通过螺钉连接成为一体，从而通过由两套小导轨滑块，形成相对于中间支撑板的上下运动副。从而患者脚底板施力时，可以检测到垂直于足底板的压力。

患者的脚捆绑在足底支撑板上，当患者在矢状面内做直线运动、踏车运动时，足底多维传感装置通过七个传感器对应获取患者脚对足底板的力矩、摩擦力及垂直压力。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明主要应用于坐卧式下肢康复机器人，其结构更加紧凑，成本低，可直接获取患者足底压力，摩擦力和力矩。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的上部分结构示意图。

图3是本发明的力矩承压板销轴分别穿过力矩承压板长边支耳与大支撑架上的通孔形成转动副的示意图。

图4是本发明的中间部分结构示意图。

图5是本发明的下部分结构示意图。

图中：1—足底支撑板、2—第三传感器、3—力矩承压板、4—第一传感器、5—第七传感器、6—固定架、7—第二传感器、8—第二传感器支架、9—绷带、10—脚后跟挡块、11—中间支撑板、12—第四传感器、13—小滑块、14—小导轨、15—大导轨、16—第六传感器、17—大支撑架、18—大滑块、19—第一传感器支架、20—第五传感器、21—小导轨、22—小滑块、23—第一挡板、24—紧固螺钉、25—紧固螺钉、26—销轴、27—螺钉、28—连接板、29—第二挡板、30—紧固螺钉、31—第三传感器连接板、32—第四传感器连接板、33—紧固螺钉、34—紧固螺钉。

具体实施方式

在图1-5所示的下肢康复机器人足底多维传感装置示意图中，

足底支撑板1为一个矩形框架，在该足底支撑板短边的一端设有脚后跟挡块10，前后两条绷带9分别固定在足底支撑板长边前后的边框上，用于缚住脚面。由两个立板和连接板28构成的大支撑架17通过两个立板固定在足底支撑板底面中间横向两侧的框架上，两个凵形第一传感器支架19和第二传感器支架8分别固定在大支撑架两侧的足底支撑板底面的框架上，第一传感器4固定在第一传感器支架中间，第二传感器7固定在第二传感器支架中间，在足底支撑板的中间设有力矩承压板3，该力矩承压板长边的两侧中间分别设有支耳，销轴26分别穿过该支耳与大支撑架上的通孔形成转动副，两个紧固螺钉24、25分别固定在力矩承压板上与第一和第二传感器中心相对应的螺钉孔内，这两个螺钉与第一和第二传感器有适当的预紧力；凵形中间支撑板11上设有两个通孔，上述大支撑架的两个立板分别穿过通孔后与连接板连接；第一挡板23和第二挡板29分别固定在足底支撑板下面的两侧，第三传感器2和第四传感器12分别固定在第三传感器连接板31和第四传感器连接板32的外侧，第三和第四传感器连接板分别固定在上述中间支撑板两端的竖板外侧，两个紧固螺钉33、30分别穿过第一和第二挡板上与第三和第四传感器相对应的螺纹孔，这两个螺钉与第三和第四传感器有适当的预紧力；在上述中间支撑板两端的竖板外侧各设有垂直小导轨21、14，在该垂直小导轨上均设有小滑块22、13，大导轨15的两端固定在上述两个小导轨的下端，该大导轨上设有大滑块18，该大滑块固定在上述大支撑架的连接板底面；第五传感器20、第六传感器16、第七传感器5分别固定在中间支撑板的底面上，在大支撑架两个立板之间设有固定在力矩承压板底面的固定架6，该固定架通过螺钉27分别固定在大支撑架两个立板上，该固定架上的中心设有与第七传感器相对应的螺纹孔，通过紧固螺钉34用于预紧第七传感器，当足底支撑板相对于中间支撑板有前后方向相对运动趋势时，传感器即可检测到患者脚的摩擦力；大导轨上分别设有与第五、第六传感器相对应的螺纹孔，通过紧固螺钉33预紧第五、第六两个传感器；固定架、大支撑架、连接板、大滑块通过螺钉连接成为一体，从而通过由两套小导轨滑块，形成相对于中间支撑板的上下运动副。

Claims (1)

1.一种下肢康复机器人足底多维传感装置，其主要包括足底支撑板、绷带、脚后跟挡块、力矩承压板、传感器、传感器支架、大支撑架、固定架、连接板、中间支撑板、挡板、导轨和滑块，其特征在于：足底支撑板为一个矩形框架，在该足底支撑板短边的一端设有脚后跟挡块，前后两条绷带分别固定在足底支撑板长边前后的边框上；由两个立板和连接板构成的大支撑架通过两个立板固定在足底支撑板底面中间横向两侧的框架上，凵形第一传感器支架和凵形第二传感器支架分别固定在大支撑架两侧的足底支撑板底面的框架上，第一传感器固定在第一传感器支架上，第二传感器固定在第二传感器支架上，在足底支撑板的中间设有力矩承压板，该力矩承压板长边的两侧中间分别设有支耳，销轴分别穿过该支耳与大支撑架上的通孔形成转动副，两个紧固螺钉分别固定在力矩承压板上与第一和第二传感器中心相对应的螺钉孔内，这两个螺钉与第一和第二传感器有适当的预紧力；凵形中间支撑板上设有两个通孔，上述大支撑架的两个立板分别穿过通孔后与连接板连接；第一挡板和第二挡板分别固定在足底支撑板下面的两侧，第三和第四传感器分别固定在第三和第四传感器连接板的外侧，第三和第四传感器连接板分别固定在上述中间支撑板两端的竖板外侧，两个紧固螺钉分别穿过第一和第二挡板上与第三和第四传感器相对应的螺纹孔，这两个螺钉与第三和第四传感器有适当的预紧力；在上述中间支撑板两端的竖板外侧各设有垂直小导轨，在该垂直小导轨上均设有小滑块，大导轨的两端固定在上述两个小导轨的下端，该大导轨上设有大滑块，该大滑块固定在上述大支撑架的连接板下面；第五、第六、第七传感器分别固定在中间支撑板的底面上，在大支撑架两个立板之间设有固定在力矩承压板底面的固定架，该固定架上的中心设有与第七传感器相对应的螺纹孔，通过紧固螺钉用于预紧第七传感器；大导轨上设有与第五、第六传感器相对应的螺纹孔，通过紧固螺钉预紧第五、第六两个传感器；固定架、大支撑架、连接板、大滑块通过螺钉连接成为一体，从而通过由两套小导轨滑块，形成相对于中间支撑板的上下运动副。