一种踝关节康复机器人及其控制方法技术

本发明专利技术公开了踝关节康复机器人及其控制方法，踝关节康复机器人的执行模块包括大腿支撑机构、背屈趾屈机构、拉压力信号采集机构、内翻外翻机构、内旋外旋机构和支座；所述拉压力信号采集机构固连在背屈趾屈机构上，所述背屈趾屈机构串联在内翻外翻机构上，所述内翻外翻机构串联在内旋外旋机构上，所述内旋外旋机构固连在支座上，机构的旋转中心与踝关节的生理中心重合。该执行模块结构简单功能全面，且能够实现力矩和角度的测量。还公开了一种踝关节康复机器的控制方法，该控制方法能根据机器人与患者之间作用力的感知，主动或者被动地调整机器人助力大小，以适应患者康复训练状态，使得机器人具有柔性，提高了康复效果并可有效避免二次伤害。免二次伤害。免二次伤害。

【技术实现步骤摘要】
一种踝关节康复机器人及其控制方法


[0001]本专利技术属于康复医疗器械领域，更具体地，涉及一种踝关节康复机器人及其控制方法。

技术介绍

[0002]踝关节损伤是一种常见的脚部骨关节损伤。随着人口老龄化程度加深，疾病、自然灾害、交通事故等频发，下肢障碍患者日益增多，其中大部分人群易于发生踝关节运动障碍，这严重限制了患者日常生活活动的能力。现有踝关节康复训练主要依靠理疗师和监护人的“一对一”辅助，存在康复周期长、康复效果有限、耗时且成本高的问题。
[0003]然而，现有技术中的踝关节康复机器人的机械结构一般都比较复杂，且有些不能实现踝关节的背屈趾屈、内翻外翻、内旋外旋等三自由度的运动康复动作，这都往往导致其控制难度大，难于在康复机器人上实时的完成各种力矩和角度的检测，从而有效调整机器人助力大小，以适应患者康复训练状态。
[0004]例如：中国专利CN105965484B公开了一种踝关节康复机器人，该装置采用并联结构形式，能完成背屈趾屈、内翻外翻、内旋外旋三自由度康复运动，结构紧凑，但存在传动机构复杂、控制难度大的问题。此外，中国专利CN211461075U公开了一种踝关节康复机器人，该装置包括一康复机器人本体、一脚托及一腿托，通过腿托将患者的腿部支撑托起，将患者的脚部随着脚托和摇臂一起进行关节拉伸锻炼，然而该机构只有一个转动方向的自由度，不能满足踝关节三自由康复训练。
[0005]因此，针对以上现有技术的不足，急需设计一种踝关节康复机器人，以用于辅助患者完成被动、主动训练，提高康复效果，且有效避免二次伤害。

技术实现思路

[0006](一)要解决的技术问题
[0007]基于此，本专利技术提供了一种踝关节康复机器人及其控制方法，该机器人的结构简单，能实现踝关节的背屈趾屈、内翻外翻、内旋外旋等三自由度的运动康复动作，易于控制，可实现各种力矩和角度的实时检测，以用于辅助患者完成被动、主动训练，提高康复效果，且还能避免二次伤害。
[0008](二)技术方案
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种踝关节康复机器人，包括执行模块，所述执行模块包括大腿支撑机构、背屈趾屈机构、拉压力信号采集机构、内翻外翻机构、内旋外旋机构和支座；所述大腿支撑机构和所述内旋外旋机构都固连在支座上，所述内旋外旋机构位于大腿支撑机构的前方；所述拉压力信号采集机构固连在背屈趾屈机构的拉压力信号采集机构支撑板上；所述背屈趾屈机构左右两侧的背屈趾屈摆杆能带动拉压力信号采集机构支撑板的后端进行背屈趾屈运动；所述背屈趾屈机构串联在内翻外翻机构上，所述内翻外翻机构上的前后两侧的内翻外翻摆杆能通过转动带动所述背屈趾屈机构进行内翻外翻
运动；所述内翻外翻机构固定在内旋外旋机构上，所述内旋外旋机构能通过内旋外旋力矩传输轴带动内翻外翻机构底部上的内翻外翻机构支撑板进行所述支座上的逆时针或者顺时针方向的内旋外旋运动；所述背屈趾屈摆杆、内翻外翻摆杆、内旋外旋力矩传输轴三者的中心轴两两相互垂直。
[0010]优选的，所述背屈趾屈摆杆、内翻外翻摆杆和内旋外旋力矩传输轴的三个轴的旋转中心与踝关节的生理中心重合。
[0011]优选的，所述背屈趾屈机构包括背屈趾屈机构支撑板、背屈趾屈传动机构、背屈趾屈轴承座、背屈趾屈摆杆、拉压力信号采集机构支撑板、背屈趾屈机械限位机构和背屈趾屈电气限位机构；所述背屈趾屈机构支撑板位于背屈趾屈机构的底部，所述拉压力信号采集机构支撑板上后部的两端与左右的两个背屈趾屈摆杆固连，由所述背屈趾屈传动机构带动做背屈趾屈运动，所述背屈趾屈摆杆在所述背屈趾屈轴承座上转动；所述背屈趾屈传动机构包括依次连接的直流伺服电机一、减速机一、皮带传动机构一；所述皮带传动机构一带动其中一边的所述背屈趾屈摆杆进行背屈趾屈运动；另外一边的背屈趾屈摆杆所对应的背屈趾屈轴承座的外侧设有所述背屈趾屈机械限位机构和所述背屈趾屈电气限位机构。
[0012]优选的，所述背屈趾屈机械限位机构包括固定限位块和回转限位块，所述固定限位块为扇形阻挡块，扇形阻挡块固定在所述背屈趾屈轴承座外侧，所述回转限位块为带有扇形缺口的圆盘，圆盘的中心点与另外一边的背屈趾屈摆杆固定连接，扇形阻挡块的至少一部分设置在圆盘的扇形缺口内；所述背屈趾屈电气限位机构包括左限位螺钉一、右限位螺钉一、接近开关一和接近开关支撑座一，所述接近开关一固定在向外伸出的所述接近开关支撑座一上，所述接近开关支撑座一固定在背屈趾屈轴承座外侧，所述左限位螺钉一和右限位螺钉一设置在所述回转限位块的圆盘上的同一个圆周内，所述接近开关一位于左限位螺钉一和右限位螺钉一之间圆弧中点的上方，所述圆盘内的左限位螺钉一和右限位螺钉一之间弧形的圆心角小于圆盘上的扇形缺口的自由活动圆心角。
[0013]优选的，所述拉压力信号采集机构固连在所述拉压力信号采集机构支撑板上，包括拉压力传感器、脚板支撑板，所述拉压力传感器设置在拉压力信号采集机构支撑板和脚板支撑板之间，以采集拉压力信号采集机构支撑板和脚板支撑板之间的拉压力信号，最后将采集的所述拉压力信号与所述背屈趾屈摆杆的力臂相乘求和得到背屈趾屈和内翻外翻过程中的力矩信号。
[0014]优选的，所述内翻外翻机构包括内翻外翻机构支撑板、内翻外翻传动机构、内翻外翻轴承座、内翻外翻摆杆、内翻外翻机械限位机构、内翻外翻电气限位机构；所述内翻外翻机构支撑板的前后两端设有一对对称的凸耳，每个凸耳上设有内翻外翻轴承座和内翻外翻摆杆，所述内翻外翻传动机构带动所述内翻外翻摆杆在内翻外翻轴承座上进行左右方向的内翻外翻运动，所述内翻外翻摆杆与所述背屈趾屈机构支撑板上前后两端伸出的凸板固定连接，所述内翻外翻机械限位机构和内翻外翻电气限位机构设置在后端凸耳上的内翻外翻轴承座上。
[0015]优选的，所述内翻外翻机械限位机构包括固定限位块和回转限位块，所述固定限位块为扇形阻挡块，扇形阻挡块固定在所述内翻外翻轴承座外侧，所述回转限位块为带有扇形缺口的圆盘，圆盘的中心点与另外一边的内翻外翻摆杆固定连接，扇形阻挡块的至少一部分设置在圆盘的扇形缺口内；所述内翻外翻电气限位机构包括左限位螺钉二、右限位
螺钉二、接近开关二和接近开关支撑座二，所述接近开关二固定在向外伸出的所述接近开关支撑座二上，所述接近开关支撑座二固定在所述内翻外翻轴承座外侧，所述左限位螺钉二和右限位螺钉二设置在所述回转限位块的圆盘上的同一个圆周内，所述接近开关二位于左限位螺钉二和右限位螺钉二之间圆弧中点的上方，所述圆盘内的左限位螺钉二和右限位螺钉二之间弧形的圆心角小于圆盘上的扇形缺口的自由活动圆心角。
[0016]优选的，所述内旋外旋机构包括内旋外旋传动机构、内旋外旋机构支撑板、内旋外旋电气限位机构、内旋外旋机械限位机构和内旋外旋力矩信号采集机构；所述内旋外旋传动机构包括依次连接的直流伺服电机三、减速机三、皮带传动机构三；所述内旋外旋电气限位机构、内旋外旋机械限位机构和内旋外旋力矩信号采集机构都设置在所述内翻外翻机构支撑板和内旋外旋机构支撑板之间，所述直流伺服电机三和减速机三设置在所述内旋外旋机构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种踝关节康复机器人，其特征在于，包括执行模块，所述执行模块包括大腿支撑机构、背屈趾屈机构、拉压力信号采集机构、内翻外翻机构、内旋外旋机构和支座；所述大腿支撑机构和所述内旋外旋机构都固连在支座上，所述内旋外旋机构位于大腿支撑机构的前方；所述拉压力信号采集机构固连在背屈趾屈机构的拉压力信号采集机构支撑板上；所述背屈趾屈机构左右两侧的背屈趾屈摆杆能带动拉压力信号采集机构支撑板的后端进行背屈趾屈运动；所述背屈趾屈机构串联在内翻外翻机构上，所述内翻外翻机构上的前后两侧的内翻外翻摆杆能通过转动带动所述背屈趾屈机构进行内翻外翻运动；所述内翻外翻机构固定在内旋外旋机构上，所述内旋外旋机构能通过内旋外旋力矩传输轴带动内翻外翻机构底部上的内翻外翻机构支撑板进行所述支座上的逆时针或者顺时针方向的内旋外旋运动；所述背屈趾屈摆杆、内翻外翻摆杆、内旋外旋力矩传输轴三者的中心轴两两相互垂直。2.根据权利要求1所述的踝关节康复机器人，其特征在于，所述背屈趾屈摆杆、内翻外翻摆杆和内旋外旋力矩传输轴的三个中心轴的旋转中心与踝关节的生理中心重合。3.根据权利要求1所述的踝关节康复机器人，其特征在于，所述背屈趾屈机构包括背屈趾屈机构支撑板、背屈趾屈传动机构、背屈趾屈轴承座、背屈趾屈摆杆、拉压力信号采集机构支撑板、背屈趾屈机械限位机构和背屈趾屈电气限位机构；所述背屈趾屈机构支撑板位于背屈趾屈机构的底部，所述拉压力信号采集机构支撑板上后部的两端与左右的两个背屈趾屈摆杆固连，由所述背屈趾屈传动机构带动做背屈趾屈运动，所述背屈趾屈摆杆在所述背屈趾屈轴承座上转动；所述背屈趾屈传动机构包括依次连接的直流伺服电机一、减速机一、皮带传动机构一；所述皮带传动机构一带动其中一边的所述背屈趾屈摆杆进行背屈趾屈运动；另外一边的背屈趾屈摆杆所对应的背屈趾屈轴承座的外侧设有所述背屈趾屈机械限位机构和所述背屈趾屈电气限位机构。4.根据权利要求3所述的踝关节康复机器人，其特征在于，所述背屈趾屈机械限位机构包括固定限位块和回转限位块，所述固定限位块为扇形阻挡块，扇形阻挡块固定在所述背屈趾屈轴承座外侧，所述回转限位块为带有扇形缺口的圆盘，圆盘的中心点与另外一边的背屈趾屈摆杆固定连接，扇形阻挡块的至少一部分设置在圆盘的扇形缺口内；所述背屈趾屈电气限位机构包括左限位螺钉一、右限位螺钉一、接近开关一和接近开关支撑座一，所述接近开关一固定在向外伸出的所述接近开关支撑座一上，所述接近开关支撑座一固定在背屈趾屈轴承座外侧，所述左限位螺钉一和右限位螺钉一设置在所述回转限位块的圆盘上的同一个圆周内，所述接近开关一位于左限位螺钉一和右限位螺钉一之间圆弧中点的上方，所述圆盘内的左限位螺钉一和右限位螺钉一之间弧形的圆心角小于圆盘上的扇形缺口的自由活动圆心角。5.根据权利要求1～4之一所述的踝关节康复机器人，其特征在于，所述拉压力信号采集机构固连在所述拉压力信号采集机构支撑板上，包括拉压力传感器、脚板支撑板，所述拉压力传感器设置在拉压力信号采集机构支撑板和脚板支撑板之间，以采集拉压力信号采集机构支撑板和脚板支撑板之间的拉压力信号，最后将采集的所述拉压力信号与所述背屈趾屈摆杆的力臂相乘求和得到背屈趾屈和内翻外翻过程中的力矩信号。6.根据权利要求3所述的踝关节康复机器人，其特征在于，所述内翻外翻机构包括内翻外翻机构支撑板、内翻外翻传动机构、内翻外翻轴承座、内翻外翻摆杆、内翻外翻机械限位机构、内翻外翻电气限位机构；所述内翻外翻机构支撑板的前后两端设有一对对称的凸耳...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海鸣，李杰，张涛，徐鹏，潘越，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：