CN113332678B - 一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***及控制方法 - Google Patents

一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***及控制方法，包括并联踝关节康复机构和控制座椅，所述的康复机构包括上/下平台、脚托模块、气动肌肉、脚托支撑杆、上/下支撑杆、法兰、法兰盘以及虎克铰链；所述的控制座椅包括可调节脚架，减压阀组，集成阀块组以及座椅机架。康复训练控制方法包括选择训练模式，设置相关参数，确定期望的运动轨迹，求解出各个气动肌肉的期望长度，对各个气动肌肉进行气压控制及长度闭环控制，从而完成康复机构整体的控制。本发明公开的康复***为踝关节损伤人群提供一套柔顺、安全的康复设备，以及不同需求下的康复训练方法，将改善患者康复效果，提高患者在康复训练过程中的主动性和积极性。

Description

一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***及控制方法
技术领域
本发明属于医疗康复器械技术领域，具体为一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***及控制方法。
背景技术
对于踝关节损伤的患者来说，治疗方式一般是医生一对一对其进行阶段性训练，从而逐渐恢复患者踝关节的运动功能，但这种治疗方式的最终效果往往取决于医生的临床经验以及对患者康复情况的主观判断，也就导致治疗效率相对较低。而随着机器人技术的普遍应用，医疗康复机器人目前已经在高精度微创手术、康复训练及医护辅助等方面得到了广泛应用，使得踝关节损伤治疗方式有了新的突破口。然而，现有的医疗康复设备多直接采用刚性的电机作为驱动源，这使得机构整体的柔顺性和安全性相对较差，一旦对患者施加的力过大或者机构转动角度过大都容易对患者造成新的伤害，因此需要设计一种具备柔顺性、安全的康复机构。
此外，目前踝关节康复机构训练模式控制主要集中在通过提前设定机构相应的运动轨迹，进行末端机构的轨迹跟踪，以实现康复早期的康复训练，整体康复训练模式相对单一，难以实现患者在不同康复阶段的康复训练需求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供了一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***及控制方法，为肢体运动障碍人群提供一套柔顺、安全的可穿戴康复设备，以及不同需求下的康复训练方法，将改善患者康复效果，提高患者在康复训练过程中的主动性和积极性。
为了实现上述目的地，本发明采用的技术方案为：
一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***，所述的并联踝关节康复***包括并联踝关节康复机构、控制座椅和主控制***；
所述的并联踝关节康复机构包括上平台、下平台、脚托模块、气动肌肉、脚托支撑杆、上支撑杆、下支撑杆、法兰、法兰盘以及虎克铰链；所述的控制座椅包括可调节脚架，减压阀组，集成阀块组以及座椅机架；
所述的下平台固定安装在控制座椅前部分的机架上，下支撑杆通过法兰固连在下平台的中心处，上支撑杆通过法兰固连在上平台的中心处，上支撑杆与下支撑杆之间再通过虎克铰链进行固连；脚托支撑杆通过法兰固连在上平台的中心处，脚托模块通过轴承与脚托支撑杆过盈配合；脚托模块包括脚托、压力传感器和陀螺仪，脚托与压力传感器固定连接，陀螺仪固结在垂直于脚托转动轴的凹槽内；而下三根气动肌肉通过法兰盘及虎克铰链分别与上平台、下平台相连且沿下支撑杆的主轴方向均匀分布，上两根气动肌肉通过法兰盘及虎克铰链分别与上平台、脚托相连且沿脚托的长轴方向水平对称分布；
集成阀块组固定连接在座椅机架底部的横梁的中间位置处，减压阀组悬挂在座椅机架中部的横梁的中间位置处，可调节脚架通过滑动角件安装在座椅机架的侧边，若干气压传感器安装在控制座椅侧边的横梁上；
所述的集成阀块组包括高速开关阀、光耦隔离继电器驱动模块、阀块组上支架和阀块组底座；所述的光耦隔离继电器驱动模块固连在阀块组上支架上，高速开关阀固定在阀块组底座和阀块组上支架之中，阀块之间通过阀块组底座的梯形结构配合连接
气压传感器用于实时检测气动肌肉内部的气压值，并将所测得数据传给主控制***，主控制***通过判断气动肌肉内部的气压是否达到目标气压，再根据控制策略下发相应的控制指令，从而实现气动肌肉气压的闭环控制；压力传感器用于实时检测脚托与患者脚部之间的接触力值，并将所测得数据传给主控制***，主控制***通过判断接触力变化的大小是否超过阈值，再根据相关控制算法下发相应的控制指令，从而实现对外界变化的适应。
本发明进一步的改进在于，所述的座椅机架由铝合金型材构成，形成整个座椅机架的框架。
本发明进一步的改进在于，所述的气动肌肉包括编织网、乳胶管、通气端头、封闭端头、卡扣以及接头；所述的编织网和乳胶管通过卡扣、接头相配合的楔形结构将编织网和乳胶管与其固定连接，然后再配合通气端头形成可通气的密闭端，配合封闭端头形成封闭端，从而实现气动肌肉气体的储存功能。
本发明进一步的改进在于，控制座椅的可调节脚架能够根据患者小腿的实际长度实现可调节脚架上端面到脚托之间垂直距离的调节，且脚托依据成人年脚部大小的范围设计成半闭合结构。
本发明进一步的改进在于，与上平台和下平台连接的三根气动肌肉沿下支撑杆的主轴方向间隔120°均匀分布。
本发明进一步的改进在于，与脚托模块相连的两根气动肌肉之间夹角为30°，并且沿脚托模块的长轴方向水平对称分布。
本发明进一步的改进在于，由于减压阀输出的气压值会因进气端和出气端两端的压差过大而发生波动，所以减压阀组采用将两个减压阀串联的形式实现压差的逐级递减，从而保证提供给整个***相对稳定的气压。
本发明进一步的改进在于，主控制***包括一个主控MCU，所述的主控MCU分别与五个光耦隔离继电器驱动模块连接，五个所述的光耦隔离继电器驱动模块分别与高速开关阀连接，且所述的主控MCU还与五个气压传感器连接，五个所述的气压传感器通过气管与五个气动肌肉连接；所述主控MCU根据采集到五个气压传感器的值，并根据控制策略分别对五个光耦隔离继电器驱动模块发出不同的控制指令，从而实现对并联踝关节康复机构位姿的控制。
一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***的控制方法，具体步骤如下：
1)通过***的上位机选择训练模式，即康复前期训练、康复中期训练、康复后期训练，设置训练过程中转动幅度、频率和训练次数；
2)获取力传感器所测得的数据，确定及修正康复机构期望的运动轨迹；
3)根据康复机构的运动学逆解，求解出各个气动肌肉的期望长度；
4)通过气动肌肉的实验模型，计算出各个气动肌肉所需的气压值，并根据气压传感器对各个气动肌肉进行气压控制；
5)陀螺仪获取脚托模块的实际位姿，由康复机构的运动学逆解，求解出各个气动肌肉的实际长度；
6)对气动肌肉的长度进行闭环控制，即将得到的各个气动肌肉的实际长度与期望长度进行比较，进而根据气动肌肉实验模型转为气压的控制指令，从而完成康复机构整体的控制。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***，为肢体运动障碍人群提供一套柔顺、安全的可穿戴康复设备。与现有采用刚性驱动元件驱动的踝关节康复机构不同，本发明采用了气动肌肉作为驱动元件，使得设备自身就具备了一定的被动柔顺性，能较好的满足人机之间的交互。而且现有以气动肌肉驱动设备多直接采用价格昂贵的商业气动肌肉作为驱动元件，使得***的造价较高，而本发明是以自制的气动肌肉作为驱动元件，不仅能满足***驱动要求，还大大降低了***的制造成本。此外，为了使得康复设备适配绝大部分患者，在控制座椅上设计了可调节脚架，可根据患者小腿的实际长度调节脚架上端面到脚托之间垂直距离；且依据成人年脚部大小的范围，将脚托设计成半闭合结构。整个康复***采用模块化的设计思想，方便布置与更换，同时***硬件简单，***性能稳定，造价成本低，有利于推进踝关节康复机构的工程化。
本发明提供的一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***的控制方法，其针对踝关节受损的患者不同康复阶段的训练要求，提供了一套完整康复训练方法。与现有的康复机构控制不同的是，其是从踝关节康复的机理出发，能在同一套设备中实现多种康复训练，即被动训练、柔顺阻抗训练和恒阻力训练，记录康复训练过程的训练数据，一定程度上能量化康复效果，将改善患者康复效果，提高患者在康复训练过程中的主动性和积极性。
附图说明
图1是气动肌肉并联踝关节康复设备的整体结构示意图；
图2是气动肌肉***图；
图3是气动肌肉并联踝关节康复设备的***组成示意图；
图4是康复早期控制流程图；
图5是康复中期控制流程图；
图6是康复后期控制流程图。
附图标记说明：
1-下支撑杆；2-虎克铰链；3-上支撑杆；4-气动肌肉；5-上平台；6-脚托模块；7-并联踝关节康复机构；8-可调节脚架；9-控制座椅；10-座椅机架；11-减压阀组；12-集成阀块组；13-光耦隔离继电器驱动模块；14-阀块组上支架；15-高速开关阀；16-阀块组底座；17-脚托支撑杆；18-法兰盘；19-下平台；20-法兰；21-通气端头；22-套环；23-编织网；24-接头；25-封闭端头；26-乳胶管；27-卡扣。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明提供的一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***，所述的并联踝关节康复***包括通过螺栓螺母连接在一起的并联踝关节康复机构7、控制座椅9和主控制***；其中，所述的并联踝关节康复机构7包括上平台5、下平台19、脚托模块6、气动肌肉4、脚托支撑杆17、上支撑杆3、下支撑杆1、法兰20、法兰盘18以及虎克铰链2；所述的下平台19固定安装在控制座椅9前部分的机架上，下支撑杆1通过法兰20固连在下平台19的中心处，上支撑杆3通过法兰20固连在上平台5的中心处，上支撑杆3与下支撑杆1之间再通过虎克铰链2进行固连；脚托支撑杆17通过法兰20固连在上平台5的中心处，脚托模块6通过轴承与脚托支撑杆17过盈配合；脚托模块6包括脚托、压力传感器和陀螺仪，脚托与压力传感器固定连接，陀螺仪固结在垂直于脚托转动轴的凹槽内；而下三根气动肌肉4通过法兰盘18及虎克铰链2分别与上平台5、下平台19相连且沿下支撑杆1的主轴方向均匀分布，上两根气动肌肉4也通过法兰盘18及虎克铰链2分别与上平台5、脚托相连且沿脚托的长轴方向水平对称分布。
参见图2，所述的气动肌肉4包括编织网23、乳胶管26、通气端头21、封闭端头25、卡扣27以及接头24；所述的编织网23和乳胶管26通过卡扣27、接头24相配合的楔形结构将编织网23和乳胶管26与其固定连接，然后再配合通气端头21形成可通气的密闭端，配合封闭端头25形成封闭端，从而实现气动肌肉气体的储存功能。
所述的控制座椅9包括可调节脚架8，减压阀组11，集成阀块组12以及座椅机架10；所述的座椅机架10由相应长度的铝合金型材构成，形成整个座椅机架的框架，集成阀块组12固定连接在座椅机架10底部的横梁的中间位置处，减压阀组11悬挂在座椅机架10中部的横梁的中间位置处，可调节脚架8通过滑动角件安装在座椅机架10的侧边，在垂直方向上可实现一定范围的位置调节；五个气压传感器安装在控制座椅9侧边的横梁上。
所述的集成阀块组12包括高速开关阀15、光耦隔离继电器驱动模块13、阀块组上支架14和阀块组底座16；所述的光耦隔离继电器驱动模块13固连在阀块组上支架14上，高速开关阀15固定在阀块组底座16和阀块组上支架14之中，阀块之间通过阀块组底座16的梯形结构配合连接。
为了保证整个***能适配绝大部分患者，其中控制座椅9的可调节脚架8能够根据患者小腿的实际长度实现可调节脚架8上端面到脚托之间垂直距离的调节，且脚托依据成人年脚部大小的范围设计成半闭合结构。
与上平台5和下平台19连接的三根气动肌肉4沿下支撑杆1的主轴方向间隔120°均匀分布；与脚托模块6相连的两根气动肌肉4之间夹角为30°，并且沿脚托模块6的长轴方向水平对称分布。
由于减压阀输出的气压值会因进气端和出气端两端的压差过大而发生波动，所以减压阀组11采用将两个减压阀串联的形式实现压差的逐级递减，从而保证提供给整个***相对稳定的气压。
其中，气压传感器的主要功能是实时检测气动肌肉内部的气压值，并将所测得数据传给主控制***，主控制***通过判断气动肌肉内部的气压是否达到目标气压，再根据控制策略下发相应的控制指令，从而实现气动肌肉气压的闭环控制。而压力传感器的主要功能是实时检测脚托与患者脚部之间的接触力值，并将所测得数据传给主控制***，主控制***通过判断接触力变化的大小是否超过阈值，再根据相关控制算法下发相应的控制指令，从而实现对外界变化的适应。
参考图3，整个***主要由控制部分、气路部分、集成阀块组和驱动部分四部分组成。其中，气路部分主要包括气泵、气动三联件、减压阀等，主要为气路提供稳定的气压源；集成阀块组主要控制各个气动肌肉充放气的时间，从而实现对气动肌肉目标气压的有效控制；驱动部分为自制的气动肌肉群，主要作为并联踝关节康复机构的驱动元件，为并联踝关节康复机构提供动力；主控制***包括一个主控MCU，所述的主控MCU分别与五个光耦隔离继电器驱动模块13连接，五个所述的光耦隔离继电器驱动模块13分别与高速开关阀15连接，且所述的主控MCU还与五个气压传感器连接，五个所述的气压传感器通过气管与五个气动肌肉4连接；所述主控MCU根据采集到五个气压传感器的值，并根据控制策略分别对五个光耦隔离继电器驱动模块13发出不同的控制指令，从而实现对并联踝关节康复机构位姿的控制。
整个***的控制方法依据踝关节康复的机理，针对不同阶段下的训练目标，提出了相对应的控制机制，主要分为康复前期、康复中期以及康复后期三个阶段。
参考图4，康复前期的主要目标是提高患者踝关节的灵活度，所以需要康复机构带动患者的踝关节进行相关的运动，具体的实施方法是先设定机构的期望运动轨迹，再通过机构的运动学方程求解出各个气动肌肉的运动轨迹，主***完成对各个气动肌肉进行相关控制，使得康复机构运动，从而达到患者的运动需求。
参考图5，对于康复中期，由于前期的康复训练使得关节肌力得以恢复，这使得机构与患者之间的接触力可能会发生较大的变化，容易对患者造成二次伤害，为保证人机之间较好的交互性，可以利用阻抗控制来改善人机之间接触力的变化，从而产生对外界环境柔顺的效果。
参考图6，在康复后期，由于患者具备了一定的运动能力，为了进一步提高患者踝关节的康复效果，可在康复训练中使得康复机构对患者的踝关节作用于一个预设定的阻力值，使得患者能进行以自身为主导的康复训练。
整个***的控制的具体步骤如下：
1)通过***的上位机选择训练模式，设置训练的相关参数。为了保证脚托模块在运动过程中的连续性，康复***以正弦函数作为初始的期望运动轨迹，所以需设定运动角度的幅值及工作频率在合适的范围内。
2)获取力传感器所测得的数据，确定及修正康复机构期望的运动轨迹。将所测得人机接触力的数据值与上一时刻的数据值作差，判断人机接触力的变化值是否大于设定的力变化值，若大于设定的力变化值，需根据康复机构的动力学方程，对期望的运动轨迹进行修正；否则，不改变期望运动轨迹。
3)根据康复机构的运动学逆解，求解出各个气动肌肉的期望长度。
4)通过气动肌肉的实验模型，计算出各个气动肌肉所需的气压值，并利用气压传感器完成对各个气动肌肉进行气压控制。由于康复***是以自行设计的气动肌肉作为驱动元件，需通过相关的实验来拟合出关于气动肌肉力、长度及气压值三者之间的数学模型，从而实现气动肌肉的位置控制。
5)陀螺仪获取脚托模块的实际位姿，由康复机构的运动学逆解，求解出各个气动肌肉的实际长度；
6)对气动肌肉的长度进行闭环控制，即将得到的各个气动肌肉的实际长度与期望长度进行比较，进而根据气动肌肉实验模型转为气压的控制指令，从而完成康复机构整体的控制。
整个***的控制方法依据踝关节康复的机理，针对不同阶段下的训练目标，提出了相对应的控制机制，主要分为康复前期、康复中期以及康复后期三个阶段。其中，康复前期的主要目标是提高患者踝关节的灵活度，所以需要康复机构带动患者的踝关节进行相关的运动，具体的实施方法是先设定机构的期望运动轨迹，再通过机构的运动学方程求解出各个气动肌肉的运动轨迹，主***完成对各个气动肌肉进行相关控制，使得康复机构运动，从而达到患者的运动需求。对于康复中期，由于前期的康复训练使得关节肌力得以恢复，这使得机构与患者之间的接触力可能会发生较大的变化，容易对患者造成二次伤害，为保证人机之间较好的交互性，可以利用阻抗控制来改善人机之间接触力的变化，从而产生对外界环境柔顺的效果。在康复后期，由于患者具备了一定的运动能力，为了进一步提高患者踝关节的康复效果，可在康复训练中使得康复机构对患者的踝关节作用于一个预设定的阻力值，使得患者能进行以自身为主导的康复训练。

Claims (3)

1.一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***，其特征在于，所述的并联踝关节康复***包括并联踝关节康复机构（7）、控制座椅（9）和主控制***；
所述的并联踝关节康复机构（7）包括上平台（5）、下平台（19）、脚托模块（6）、气动肌肉（4）、脚托支撑杆（17）、上支撑杆（3）、下支撑杆（1）、法兰（20）、法兰盘（18）以及虎克铰链（2）；所述的控制座椅（9）包括可调节脚架（8），减压阀组（11），集成阀块组（12）以及座椅机架（10）；
所述的下平台（19）固定安装在控制座椅（9）前部分的机架上，下支撑杆（1）通过法兰（20）固连在下平台（19）的中心处，上支撑杆（3）通过法兰（20）固连在上平台（5）的中心处，上支撑杆（3）与下支撑杆（1）之间再通过虎克铰链（2）进行固连；脚托支撑杆（17）通过法兰（20）固连在上平台（5）的中心处，脚托模块（6）通过轴承与脚托支撑杆（17）过盈配合；脚托模块（6）包括脚托、压力传感器和陀螺仪，脚托与压力传感器固定连接，陀螺仪固结在垂直于脚托转动轴的凹槽内；而下三根气动肌肉（4）通过法兰盘（18）及虎克铰链（2）分别与上平台（5）、下平台（19）相连且沿下支撑杆（1）的主轴方向均匀分布，上两根气动肌肉（4）通过法兰盘（18）及虎克铰链（2）分别与上平台（5）、脚托相连且沿脚托的长轴方向水平对称分布；
集成阀块组（12）固定连接在座椅机架（10）底部的横梁的中间位置处，减压阀组（11）悬挂在座椅机架（10）中部的横梁的中间位置处，可调节脚架（8）通过滑动角件安装在座椅机架（10）的侧边，若干气压传感器安装在控制座椅（9）侧边的横梁上；
所述的集成阀块组（12）包括高速开关阀（15）、光耦隔离继电器驱动模块（13）、阀块组上支架（14）和阀块组底座（16）；所述的光耦隔离继电器驱动模块（13）固连在阀块组上支架（14）上，高速开关阀（15）固定在阀块组底座（16）和阀块组上支架（14）之中，阀块之间通过阀块组底座（16）的梯形结构配合连接；
气压传感器用于实时检测气动肌肉内部的气压值，并将所测得数据传给主控制***，主控制***通过判断气动肌肉内部的气压是否达到目标气压，再根据控制策略下发相应的控制指令，从而实现气动肌肉气压的闭环控制；压力传感器用于实时检测脚托与患者脚部之间的接触力值，并将所测得数据传给主控制***，主控制***通过判断接触力变化的大小是否超过阈值，再根据相关控制算法下发相应的控制指令，从而实现对外界变化的适应；
所述的气动肌肉（4）包括编织网（23）、乳胶管（26）、通气端头（21）、封闭端头（25）、卡扣（27）以及接头（24）；所述的编织网（23）和乳胶管（26）通过卡扣（27）、接头（24）相配合的楔形结构将编织网（23）和乳胶管（26）与其固定连接，然后再配合通气端头（21）形成可通气的密闭端，配合封闭端头（25）形成封闭端，从而实现气动肌肉气体的储存功能；
主控制***包括一个主控MCU，所述的主控MCU分别与五个光耦隔离继电器驱动模块（13）连接，五个所述的光耦隔离继电器驱动模块（13）分别与高速开关阀（15）连接，且所述的主控MCU还与五个气压传感器连接，五个所述的气压传感器通过气管与五个气动肌肉（4）连接；所述主控MCU根据采集到五个气压传感器的值，并根据控制策略分别对五个光耦隔离继电器驱动模块（13）发出不同的控制指令，从而实现对并联踝关节康复机构位姿的控制；
控制座椅（9）的可调节脚架（8）能够根据患者小腿的实际长度实现可调节脚架（8）上端面到脚托之间垂直距离的调节，且脚托依据成人年脚部大小的范围设计成半闭合结构；
与上平台（5）和下平台（19）连接的三根气动肌肉（4）沿下支撑杆（1）的主轴方向间隔120°均匀分布；
与脚托模块（6）相连的两根气动肌肉（4）之间夹角为30°，并且沿脚托模块（6）的长轴方向水平对称分布；
由于减压阀输出的气压值会因进气端和出气端两端的压差过大而发生波动，所以减压阀组（11）采用将两个减压阀串联的形式实现压差的逐级递减，从而保证提供给整个***相对稳定的气压。
2.根据权利要求1所述的一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***，其特征在于，所述的座椅机架（10）由铝合金型材构成，形成整个座椅机架的框架。
3.权利要求1或2所述的一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复***的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）通过***的上位机选择训练模式，包括康复前期训练、康复中期训练和康复后期训练，设置训练过程中转动幅度、频率和训练次数；
2）获取力传感器所测得的数据，确定及修正康复机构期望的运动轨迹；
3）根据康复机构的运动学逆解，求解出各个气动肌肉的期望长度；
4）通过气动肌肉的实验模型，计算出各个气动肌肉所需的气压值，并根据气压传感器对各个气动肌肉进行气压控制；
5）陀螺仪获取脚托模块的实际位姿，由康复机构的运动学逆解，求解出各个气动肌肉的实际长度；
6）对气动肌肉的长度进行闭环控制，将得到的各个气动肌肉的实际长度与期望长度进行比较，进而根据气动肌肉实验模型转为气压的控制指令，从而完成康复机构整体的控制。
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