专利名称：下肢步态矫正器控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种下肢步态矫正器控制装置，属于康复医疗器械领域。
背景技术：
脊椎损伤、中风等神经系统疾病会导致患者的下肢出现不同程度的运动功能障碍，使其 失去或部分的失去独立行走能力。康复医学理论与实践证明除了早期的手术治疗和药物治
疗以外，人工辅助减重平板步行训练(body weight supported treadmill training, BWSTT) 是提高这类患者下肢肌肉力量，促进其行走功能恢复的有效治疗方法。在人工辅助减重平板 步行训练中，需要两至三名理疗师手工推动患者双腿在跑步机上进行步行训练，这将消耗理 疗师大量体力，使其难以对患者进行长时间的训练；另外，训练过程中理疗师引导患者双腿 行走的步态往往是随机的、非人体正常的自然步态，这将使患者恢复后的步态不是正常的自 然行走歩态。所以人们试图把机器人技术引入减重平板步行训练，由机器人带动患者的双腿 进行歩行训练，这将能有效地减轻理疗师的工作强度，同时还使患者得到持续的、有规律的 康复训练，提卨训练效率。
上海大学医疗机器人与计算机辅助外科研究小组从减重歩行训练的实际需要出发，研制 了一种使用伺服电机驱动的4自由度外骨骼型步态矫正器，并于2007年12月6日向中华人 民共和国国家知识产权局申请了《下肢康复自动步态矫正器》的发明专利，专利申请号 200710171696. 4。该步态矫正器可以带动患者双腿在跑歩机上进行歩行康复训练。步态矫正 器基于人体下肢骨骼运动机理设计，由两条结构相同的机械腿组成，单条机械腿由髋关节、 膝关节、大腿构件、小腿构件、髋关节电动线性驱动器和膝关节电动线性驱动器构成。大腿 构件和矫正器U型架以旋转轴连接，连接处构成旋转的髋关节；大腿构件和小腿构件以旋转 轴连接，连接处构成旋转的膝关节。在U型架和大腿构件之间安装了髋关节电动线性驱动器， 用于驱动大腿构件围绕髋关节转动；在大腿构件和小腿构件之间安装了膝关节电动线性驱动 器，用于驱动小腿构件围绕膝关节转动。每个关节电动线性驱动器的结构相同，均btl—个伺 服电机和滚珠丝杠组成。通过控制髋关节电动线性驱动器和膝关节电动线性驱动器中的电机 按照某种规律转动，即可使得矫正器大腿构件和小腿构件分别按照对应的运动规律围绕髋关 节和膝关节转动，从而使矫正器的两条机械腿产生行走运动。在髋关节和膝关节的转轴上， 安装有角度传感器。
从以上分析可知，下肢步态矫正器的控制装置对于矫正器的正常工作是不可缺少的。针对上述下肢步态矫正器与人体直接接触，并带动人体下肢运动的特点，要求下肢步态矫正器 的控制装置控制精度高，工作稳定、安全可靠，能够控制矫正器按照目标步态轨迹运动，实 时显示患者的训练步态曲线、训练时间、训练步行速度，并能够控制跑步机的运转速度与矫 正器的行走速度保持一致。现有的一些控制装置由于没有相应的传感器或者没有相应的数据 接口，很难满足上述需要。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种下肢步态矫正器控制装置，它以下肢步态矫正器和跑步 机为控制对象，以预先设定好的关节角度步态轨迹为目标控制轨迹，以控制下肢步态矫正器 按照目标步态轨迹运动，实现矫正器带动患者双腿进行自动化的步行康复训练为最终目的。
为达到上述实用新型的目的，本实用新型采用下述技术方案
一种下肢步态矫正器控制装置，包括一台计算机、 一块数据采集卡、四个关节角度传感 器和四个关节伺服电机，其特征在于有一块运动控制卡分别经闪个伺服电机驱动器连接所述 四个关节伺服电机；所述数据采集卡连接所述四个关节角度传感器；所述运动控制卡和数据 釆集卡连接所述计算机且安装在该计算机中。所述的计算机完成控制软件的运行与设置、跑 步机的运转速度控制、各类训练信息的屏幕显示和数据存储等功能。所述的数据采集卡用于 采集角度传感器的输出信号，并将采集到的模拟量信息转变成数字量信息提供给控制软件。 所述的控制软件将矫正器四个关节的转角轨迹转换成对应关节电动直线驱动器屮电机轴的转 动轨迹，并将其发送给运动控制卡，同时接收通过数据采集卡得到的矫正器四个关节的实际 角度信息。所述的运动控制卡将接收到的四组电机轴转动轨迹信息转换成电机驱动器所能接 收的数字脉冲指令，并通过四个数字信号输出端口分别将这四组数字脉冲指令发送给对应的 四个电机驱动器。所述的电机驱动器负责将接收到的数字脉冲指令进行功率放大，进而驱动 对应的伺服电机使其按照指定的运动规律转动。最终四个伺服电机带动矫正器的大腿和小腿 围绕髋关节和膝关节转动，产生类似人体行走的步态运动。
上述的步态矫正器关节转角轨迹是指一个步态周期内下肢四个关节的转动角度随时间的 变化规律，分别是左腿髋关节转角轨迹、左腿膝关节转角轨迹、右腿髋关节转角轨迹、右 腿膝关节转角轨迹。
上述计算机还连接一个显示器和一个鼠标键盘。
上述计算机还连接一个跑步机。
本实用新型由于采用了以上技术，使其与现有技术相比具有以下优点和特点
1.本实用新型使用市场上通用的标准化设备、器件，采用模块化的组合集成结构，使得
4整个装置结构简单、成本低廉、可靠性高、兼容性好。
2. 本实用新型使用的控制方法操作简单，速度快，精度高。
3. 本实用新型可实时检测、记录、显示训练过程中患者的各类训练信息，如训练时间、 步行速度、步态周期以及人体关节转角曲线等，为康复医生对患者治疗效果的评估提供了数 据与依据。
图1是本实用新型的控制对象己有技术的下肢步态矫正器和跑步机的结构示意图。
图2是本实用新型一个实施例的结构框图。
图3是本实用新型控制程序的流程图。
具体实施方式
本实用新型的一个优选实施例结合附图说明如下
参见图l，本下肢步态矫正器控制装置包括一台计算机18、 一块数据采集卡21、四个关 节角度传感器2、 8、 12、 16和四个关节伺服电机4、 6、 13、 14，其特征在于有一块运动控 制卡20分别经四个伺服电机驱动器22、 23、 24、 25连接所述四个关节伺服电机4、 6、 13、 14;所述数据采集卡21连接所述四个关节角度传感器2、 8、 12、 16;所述运动控制卡20和 数据采集卡21连接所述计算机18且安装在该计算机]8中。
上述计算机18还连接一个显示器17， 一个鼠标键盘19和一个跑步机11。
下面结合控制对象作进一步说明
参见图1,下肢歩态矫正器控制装置的控制对象是下肢步态矫正器和跑步机11。矫正器
基于人体下肢骨骼运动机理设计，由两条结构相同的机械腿构成，单条机械腿的特征是由
髋关节1、膝关节9、大腿构件5、小腿构件10、髋关节电动线性驱动器3和膝关节电动线性 驱动器7构成。大腿构件5和U型架15以旋转轴连接，连接处构成旋转的髋关节l;大腿构 件5和小腿构件10以旋转轴连接，连接处构成旋转的膝关节9。在U型架15和大腿构件5 之间安装了由伺服电机4和滚珠丝杠组成的髋关节电动线性驱动器3，用于驱动人腿构件5 围绕髋关节1转动；在大腿构件5和小腿构件10之间安装了由伺服电机6和滚珠丝杠组成的 膝关节电动线性驱动器7，用于驱动小腿构件10围绕膝关节9转动。髋关节1的转轴上安装 有角度传感器2，膝关节9的转轴上安装有角度传感器8。
参见图2，下肢歩态矫正器控制装置包括一台计算机18, 块运动控制卡20， 一块数据 采集卡21，四个伺服电机驱动器22、 23、 24、 25和四个角度传感器2、 8、 12、 16，其中计 算机18上接有显示器17和鼠标键盘19。运动控制卡20 (NI PXI-7356)和数据采集卡21 (NIPXI-6251)安装在计算机18 (NI PXI-8196)的中。运动控制卡20的四个数字信号输出端口 分别通过数据线与电机驱动器22、 23、 24、 25 (Yaskawa SGDM-01ADA)信号输入端口相连。 电机驱动器22、 23、 24、 25通过数据线分别与伺服电机4、 6、 13、 14 (Yaskawa SGMAH-01 AAA41)相连。跑步机ll (Horizon Paragon 508)的串行通信接口通过数据线与计算机18的 串行通信接口相连。角度传感器2、 8、 12、 16 (MAB40A)的输出端口通过数据线分别与数 据采集卡21的四个模拟输入端口相连。
参见图3，本实施例的控制程序运行在下肢歩态矫正器控制装置上，其工作流程如下
1. 步态周期参数设置在操作开始前，首先需要操作人员通过键盘鼠标19设置步行康 复训练时行走的步态周期。
2. 关节位置初始化在开始步行训练之前，控制程序首先使矫正器的四个关节分别转 动到各自预先设定好的初始位置角度，使得矫正器处于一个合适的行走起步姿势。
3. 启动矫正器和跑步机在关节位置初始化结束后，等待3秒钟，之后控制程序将启
动矫正器上四个伺服电机4、 6、 13、 14和跑步机11的运转，使矫正器带动人体双 腿在跑歩机上开始行走。
4. 矫形器连续工作控制程序按照目标关节角度轨迹和设定的歩态周期，控制矫正器
四个关节连续运转，产生行走运动。丁.作过程中控制程序会定时检测关节角度传感 器信息，并将四个关节的转动角度信息、训练时间、歩态周期、歩行速度等信息在
显示器17上显不出来。
5. 训练结束当控制程序接收到"训练结束"的指令后，首先停止矫正器和跑步机11
的运转，然后控制矫正器的四个关节分别转动到零度的位置，即双腿处于直立状态 的位置，使得矫正器关节复位，从而完成本次步行训练。
权利要求1. 一种下肢步态矫正器控制装置，包括一台计算机(18)、一块数据采集卡(21)、四个关节角度传感器(2、8、12、16)和四个关节伺服电机(4、6、13、14)，其特征在于有一块运动控制卡(20)分别经四个伺服电机驱动器(22、23、24、25)连接所述四个关节伺服电机(4、6、13、14)；所述数据采集卡(21)连接所述四个关节角度传感器(2、8、12、16)；所述运动控制卡(20)和数据采集卡(21)连接所述计算机(18)且安装在该计算机(18)中。
2. 根据权利要求1所述的下肢步态矫正器控制装置，其特征在于所述计算机(18)连接一 个显示器(17)和一个鼠标键盘(19)。
3. 根据权利要求1或2所述的下肢步态矫正器控制装置，其特征在于所述计算机(18)还 连接一个跑步机(11)。
专利摘要本实用新型涉及一种下肢步态矫正器控制装置。包括一台计算机、一块运动控制卡，一块数据采集卡、四个电机驱动器、四个关节角度传感器和控制软件，运动控制卡和数据采集卡安装在计算机中；运动控制卡的四个数字信号输出端口分别与四个电机驱动器的信号输入端口相连；四个电机驱动器分别与矫正器上安装的四个伺服电机相连；四个角度传感器分别安装在矫正器的四个关节转轴上，其信号输出线分别与数据采集卡的四个模拟信号输入端口相连。在患者穿戴下肢步态矫正器进行步行训练时，本控制装置能够控制矫正器的四个关节按照目标运动轨迹转动，带动患者双腿在跑步机上行走，同时能够将四个关节的转动角度、训练时间、步态周期、步行速度等信息在显示器上显示出来，为康复医生对患者治疗效果的评估提供了数据与依据。
文档编号A61H1/00GK201267596SQ20082015464
公开日2009年7月8日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者冯治国, 震 张, 沈林勇, 王企远, 章亚男, 钱晋武 申请人:上海大学