踝關節康復系統的製作方法

2023-10-09 03:38:44

本實用新型涉及輔助醫療康復訓練設備領域，具體地說是一種踝關節康復系統。

背景技術：

康復機器人作為醫療機器人的一個重要分支，它的研究貫穿了康復醫學、生物力學、機械學、機械力學、電子學、材料學、計算機科學以及機器人學等諸多領域，已經成為了國際機器人領域的一個研究熱點。

踝關節損傷以踝關節韌帶損傷最為常見，如果治療不及時或不徹底，容易導致踝關節韌帶過度鬆弛，關節不穩，易引起反覆扭傷，造成踝關節功能障礙等後遺症，嚴重的將影響行走功能。在大多腳踝受傷的病例中，經過醫院的治療後，康復時間一般為6-18個月，在這期間，大多數人不能夠正常行走，會明顯的感到疼痛，此時特別需要物理治療來進行輔助康復治療(如腳部放鬆和按摩等)，必須經過反覆的循序漸進的訓練使受損的踝關節得以康復。

目前市場上已有的踝關節康復訓練設備功能簡單，對踝關節運動功能的恢復存在不足，不能實現自動化連續往復緩慢活動，並且使用不當易造成踝關節的再次損傷，一些醫院臨床用的器械價格昂貴，且需要專業人士指導使用，不利於家庭使用。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本實用新型提供一種可以對踝關節康復設備發出命令並對機器人的動作和運行狀況進行監測及控制，保證機器人按照要求有效的配合患者完成踝關節康復訓練的踝關節康復系統。

本實用新型為實現上述目的所採用的技術方案是：

一種踝關節康復系統，上位機連接電機控制器，發送運動模式指令到電機控制器，對電機控制器進行控制；

電機控制器連接設置在機械傳動裝置上的直流無刷電機2，輸出對直流無刷電機2的控制信號，對其進行控制；同時接收設置於機械傳動裝置上電感式脈衝編碼器1反饋的電機位置信號，對機械傳動裝置進行閉環控制。

所述機械傳動裝置包括：

電感式脈衝編碼器1同軸連接直流無刷電機2，另一端連接電機控制器，發送電機控制器的控制信號，同時根據直流無刷電機2的轉動生成相應的脈衝信號，並反饋到電機控制器；

扭矩傳感器5一端通過輸入聯軸器16同軸連接到減速箱3，減速箱3同軸連接直流無刷電機2；另一端通過輸出聯軸器14同軸連接輸出軸，輸出軸通過連接件7連接腳踏板9。

所述輸出軸包括固定於底板10上的軸承支座6，在軸承支座6內設置兩個低脂潤滑脂封入型滾珠軸承，兩個軸承內圈由套筒軸向固定，外圈由軸肩和軸承端蓋13進行軸向固定。

還包括角度傳感器支座12固定於軸承端蓋13上，外殼11通過螺紋連接角度傳感器支座12，角度傳感器8通過外殼11固定其外圈，內圈套在D形軸上，實時檢測出軸的轉動角度。

所述軸承端蓋13通過螺紋固定在軸承支座6上，且內設置限位滑槽，與固定設置於連接件7上的銷子15配合，用於對踝關節轉動的機械限位。

所述直流無刷電機2為設置有霍爾傳感器的盤式直流無刷電機，通過霍爾傳感器檢測當前電機轉子位置，生成對應方向的激勵電流，驅動直流無刷電機2轉動。

所述扭矩傳感器5採用應變片電測技術。

所述輸入聯軸器16和輸出聯軸器14為法蘭聯軸器，通過平鍵與軸進行聯接，並通過緊定螺釘來消除傳動間隙。

所述電機位置信號為：

其中，Θm為電機轉角，Θd踝關節期望轉角，F為關節力矩，M為慣性參數、B為阻尼、K為剛度，s為復變量。

所述限位滑槽限定的角度範圍為患者的背屈最大轉角為40°，蹠屈最大轉角為50°。

本實用新型具有以下有益效果及優點：

1.本實用新型中的扭矩傳感器可以測量人腳或其他外界物體對踝關節設備的力信息，用這個力信息可以實現踝關節設備進行力保護以及對其進行相應的力控制。這種力矩傳感器與人體踝關節運動動作比較匹配，很好地測量了踝關節的力信息。精度比較高，測量值得穩定性比較好，反應靈敏。

2.本實用新型的電感式脈衝編碼器可以實時檢測電機的旋轉角度，利用此角度信息可以實現對電機準確的位置控制，對可穿戴康復踝關節設備來說，保證電機位置的準確控制就是保證康復的安全性，精度高，位置數據容易讀取，可編程型高，可配置性好，檢測響應時間高。

3.本實用新型的通過角度傳感器實時檢測踝關節康復設備末端的位置信息，因此可以踝關節的運動位置，方便實現末端位置的準確控制，精度高，在做實驗過程中，方便檢測與採集，抗幹擾能力強，採集的電壓信號抖動較小，方便處理。

附圖說明

圖1是本實用新型的系統結構框圖；

圖2是本實用新型的機械傳動裝置結構圖；

圖3是本實用新型的角度傳感器安裝結構圖；

圖4是本實用新型的限位結構示意圖；

圖5是本實用新型的扭矩傳感器安裝示意圖；

其中，1為電感式脈衝編碼器、2為直流無刷電機、3為減速箱、4為電機支座、5為扭矩傳感器、6為軸承支座、7為連接件、8為角度傳感器、9為腳踏板、10為底板、11為外殼、12為角度傳感器支座、13為軸承端蓋、14為輸出聯軸器、15為銷子、16為輸入聯軸器。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本實用新型做進一步的詳細說明。

如圖1所示為本實用新型的本實用新型的系統結構框圖。

上位機採用計算能力強大的PC機,其主要作用是向下位機發送電機控制的命令,同時接收來自機器人角度傳感器8、扭矩傳感器5的反饋數據和下位機電機控制器的反饋數據,並通過編制好的用戶界面程序實現用戶與機器人的人機互動等功能。

下位機使用的是PC104,它與機器人的電機對應的構成電機電流、速度、位置的閉環控制,直接控制直流無刷電機2執行上位機發出的命令；用戶通過上位機編制好的用戶界面程序,可以對踝關節康復設備發出命令並對機器人的動作和運行狀況進行監測及控制,保證機器人按照要求有效的配合患者完成踝關節康復訓練。

病人坐在座椅上，支撐架為病人小腿提供一定的支撐力，醫生通過電腦顯示器進行康復操作，為病人設定相應的康復模式，幫助病人的踝關節活動；整個機械傳動部分安放在底架上。

如圖2所示為本實用新型的機械傳動裝置結構圖。

電感式脈衝編碼器1、盤式直流無刷電機2、減速箱3、扭矩傳感器5、軸承支座6、連接件7、角度傳感器8在機械結構上為同軸線安裝；其中減速箱3通過電機支座4固定在底板10上，電感式脈衝編碼器1每圈可計數512個脈衝，實現電機輸出軸的精確控制；帶霍爾傳感器的盤式直流無刷電機2，用於提供驅動力輸出；減速箱3，用於降低轉速，提高驅動力矩。

該踝關節康復設備傳動部分包括：依次串聯的電感式脈衝編碼器、帶霍爾傳感器的直流盤式無刷電機、減速箱、輸入聯軸器、扭矩傳感器、輸出聯軸器、低脂潤滑脂封入型滾珠軸承、套筒、連接件，還包括：電機控制器，連接到電感式脈衝編碼器的數據線並為其提供電源，同時連接到直流無刷電機的霍爾傳感器數據線和電源線，並連接到無刷電機的電力線，通過霍爾傳感器信號檢測當前電機轉子位置從而生成對應方向的激勵電流驅動無刷電機轉動，電機的轉動將帶動同軸安裝的電感式脈衝編碼器產生相應的脈衝信號輸入到電機控制器，電機控制器通過對編碼器的脈衝信號進行計數從而精確地控制電機轉子的轉動速度和位置，通過控制流過電機電力線的電流從而控制電機的輸出轉矩。直流無刷電機轉子通常具有較高的額定轉速，通過在電機輸出軸上安裝一個適當減速比的減速箱，來降低關節轉速，提高驅動力矩。

優選地，在輸出軸末端安裝有角度傳感器，該傳感器的輸出量為絕對值，其值掉電不丟失，任何時候設備接通電源後均可以隨時獲得輸出軸的絕對位置，用來補充電感式脈衝編碼器提供的位置信息給電機控制器，從而實現扭矩傳感器輸出軸的絕對位置控制。

優選地，踝關節康復設備機械傳動部分的扭矩傳感器採用應變片電測技術。

優選地，踝關節的角度控制採用阻抗控制算法，該算法利用扭矩傳感器信號控制關節的輸出力矩，從而保證患者康復過程的安全。該算法採用如下公式計算關節輸出轉角，即電感式脈衝編碼器提供的位置信息：

其中，Θm為電機轉角，Θd踝關節期望轉角，F為關節力矩，即扭矩傳感器輸出信號，通過頻域變換生成期望轉角偏差的大小，並與期望轉角作差，生成電機角度控制指令並發送到電機控制器；M為慣性參數、B為阻尼、K為剛度，s為復變量。

踝關節是人體負重最大的屈戍關節，由脛骨遠端、距骨、腓骨遠端及周圍韌帶組成，站立時全身重量均落到踝關節上。日常生活中的行走、跳躍活動，主要依靠踝關節的背伸和蹠屈運動。當各種原因造成全身多處骨折、截癱或老年人下肢骨折等，導致患者長期臥床時，會引起嚴重的併發症，即踝關節蹠屈畸形，即使患者能站立起來也無法正常行走。

本實用新型提出的康復裝置幫助踝關節在被動的情況下可背伸0:40°、蹠屈0:50°，並能根據患者的個體情況設置不同的運動角度與時間，且能緩慢、連續往返式運動，這對於那些踝關節不能或較難進行主動活動的病人防止踝關節僵硬及防止下肢肌肉萎縮，將有良好的作用。

如圖3所示為本實用新型的角度傳感器安裝結構圖。

角度傳感器8通過外殼11固定其外圈，內圈套在D形軸上，實時檢測出軸的轉動角度，外殼11通過螺紋連接角度傳感器支座12，角度傳感器支座12固定在軸承端蓋13上。

如圖4所示為本實用新型的限位結構示意圖。

軸承端蓋14通過螺紋固定在軸承支座6上，軸承端蓋14上的滑槽是對踝關節轉動的機械限位，進一步保障了人機互動的安全性。銷子15安裝在轉軸和踏板的連接件上，隨轉軸一同轉動，軸承端蓋14限定了患者的背屈最大轉角為40°，蹠屈最大轉角為50°。

如圖5所示為本實用新型的扭矩傳感器安裝示意圖。

輸入聯軸器16通過鍵聯接了減速箱輸出軸和扭矩傳感器5，輸出聯軸器14通過鍵聯接了扭矩傳感器5和輸出軸部分；輸入聯軸器16、輸出聯軸器14均通過緊定螺釘消除了鍵傳動時的鬆動間隙，使康復設備更安全有效地運行。

扭矩傳感器，採用應變片電測技術,在彈性軸上組成應變橋,向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大後，經過壓/頻轉換，變成與扭應變成正比的頻率信號。