电动康复装置的制作方法

本发明涉及身体部分的动力运动，更具体地，涉及提供动力运动以辅助医疗康复或体育训练的装置。
背景技术：
：许多人患有导致身体部分运动障碍的疾病或创伤。这种运动障碍经常用包括被动和辅助运动锻炼范围的物理治疗进行治疗。与提供当前状态的物理治疗服务相关的挑战包括诊所数量有限、需要大量财务和人力资源以提供服务以及相关的运输成本。机器人康复装置为不充分的或负担过重的物理治疗服务提供了功能性解决方案，这对医疗保健系统和残疾人都是有益的。机器人在运动功能训练中的应用显示出以下潜力：(a)降低康复成本；(b)能够进行家庭训练、自我训练和远程监控的远程康复；以及(c)能够针对不同治疗进行修改。然而，当前状态的机器人康复技术仍然存在挑战，诸如：(a)制造成本高；(b)设计复杂；(c)机构的重量和尺寸较大；(d)便携性问题；(e)操作困难；以及(f)在操作期间需要直接监督。因此，持续性地需要开发用于康复技术的替代装置。技术实现要素：在一方面，提供了一种电动康复装置，该电动康复装置包括：由下表面和上表面界定的基座；支承在基座的上表面上的第一电动轮组件；由外凸表面和内凹表面界定的圆顶部，圆顶部被偏置以使内凹表面与第一电动轮组件摩擦接触；以及位于外凹表面上方的端部执行器，该端部执行器配置成接合动物身体部分。在另一方面，提供了一种电动康复装置，该电动康复装置包括：由下表面和上表面界定的基座；支承在基座的上表面上的电动缆索绞车组件；从基座的上表面延伸的中心杆，将中心杆的第一端部连接至基座的旋转接头；以及位于中心杆的第二端部的端部执行器，该端部执行器配置成接合动物身体部分。附图说明图1示出了电动的圆顶-轮康复装置。图2描绘了图1中所示装置的俯仰dof。图3描绘了图1中所示装置的滚动dof。图4示出了用于可调节的力传递到图1中所示装置中的圆顶部的机构。图5示出了可以可选地安装在图1中所示的装置中的移动基座模块。图6描绘了图5中所示的移动基座的第一平移dof。图7描绘了图5中所示的移动基座的第二平移dof。图8描绘了图5中所示的移动基座的偏航dof。图9示出了图1中的装置，其中该装置安装有移动基座模块和手柄端部执行器。图10示出了图1中的装置，其中该装置安装有移动基座模块和脚踏板端部执行器。图11示出了用于移动基座模块的双模式传动机构。图12示出了用于圆顶-轮模块的双模式传动机构。图13示出了电动缆索-绞车康复装置的立体图。图14示出了图13中所示装置的俯视图。图15示出了包括在图13中所示装置中的电动绞车机构。图16示出了用于图15中所示的绞车机构的双模式传动装置。图17描绘了图13中所示装置的俯仰dof。图18描绘了图13中所示装置的滚动dof。图19示出了处于操作环境中的图9中所示的装置。图20示出了处于操作环境中的图9中所示的装置。图21示出了图1中所示装置的变型。图22描绘了图21中所示的装置的俯仰dof。图23描绘了图21中所示装置的滚动dof。图24描绘了图21中所示装置的偏航dof。图25示出了图13中所示装置的变型。图26描绘了图25中所示装置的俯仰dof。图27描绘了图25中所示装置的滚动dof。图28描绘了图25中所示装置的偏航dof图29示出了用于康复装置的机器人实施例的控制示意图。图30示出了安装至移动基座模块的定位传感器。图31示出了计算机系统架构和该系统的不同组件之间的通信协议，其中移动基座内的组件以虚线包围。图32示出了分配用于描述圆顶-轮模块的运动学的全局坐标和局部坐标。图33示出了在从图32中所示的坐标方案得出的滚动和俯仰中可实现的可能的归一化扭矩图。图34示出了使用安装在移动基座模块上的增量式激光传感器为定位分配的坐标。图35示出了用于移动基座的轨迹控制的pid控制回路的示意图。图36示出了用于端部执行器的定向的轨迹控制的pid控制回路的示意图。图37示出了用于控制与用户的相互作用力的pid控制回路的示意图。具体实施方式参照附图，将描述电动圆顶-轮康复装置和电动缆索-绞车康复装置。图1示出了电动圆顶-轮康复装置10，为了便于说明，没有示出电动机。圆顶-轮康复装置包括由下表面14、上表面16和周边18界定的基座12。第一电动轮组件20支承在基座12的上表面16上。第一电动轮组件20包括第一全向轮22、第二全向轮24和第三全向轮26，每个全向轮均安装在一对平行间隔的承重轮桁架30之间，承重轮桁架30从基座12的上表面16竖直延伸。每个轮桁架30均包括一对平行间隔的竖直柱32，该竖直柱32具有连接至基座12的上表面16的第一端部和通过支承板34连接的第二端部。形成在支承板34中的孔和表面特征用于安装每个全向轮及其对应的电动机和传动组件(电动机和传动装置未在图1中示出)。第一电动轮组件20邻接地支承圆顶部40。圆顶部40由外凸表面42、内凹表面44和周边46界定。圆顶部40被偏置以使内凹表面与第一电动轮组件20摩擦接触，使得一个或多个轮的电动运动致动圆顶部的运动。轮桁架30的竖直高度和安装轮的合成高度是预定的，以允许圆顶部40的所需运动范围，并在基座12的周边18上方提供圆顶部40的足够的竖直间隙，从而避免在圆顶部40的整个所需运动范围内圆顶部40与基座12接触。第一电动轮组件20的控制配置成在圆顶部40的整个运动范围内保持每个轮与圆顶部40的内凹表面44的接触。在图1中，示出了处于中性位置的圆顶部。三个全向轮中的一个或多个全向轮的协调电动机致动运动可转而通过轮与圆顶部40的摩擦接触来致动圆顶部40的运动。图1中所示的第一电动轮组件20的轮与轮对准的协调运动可提供圆顶部的两个运动自由度(dof)，第一俯仰运动dof和第二滚动运动dof。圆顶部40连接至中心杆50，该杆具有第一端部52和第二端部54，第一端部52通过万向接头56可枢转地连接至基座的中心部分，第二端部54在圆顶部的外凸表面上方延伸。杆50延伸通过圆顶部的中心部分中的孔，使得其第二端部54位于圆顶部的外凸表面上方。杆的第二端部可成形为形成螺纹部分58，并且蝶形螺母紧固件59(图1中未示出)可螺纹地接合在其上，以提供用于调节圆顶部40相对于第一电动轮组件的轮的偏置的调谐器。圆顶部40示出为半球形壳体，其使用固定螺钉(未示出)附接至杆50。圆顶部的中心与万向接头56的中心重合。因此，附接至杆的圆顶部的旋转围绕万向接头的中心发生。轮附接至基座，并在圆顶部的内表面处与圆顶部接触。通过驱动该轮，由于轮和圆顶部的接触点中的摩擦，圆顶部将移动。圆顶部的运动导致杆围绕万向接头的中心旋转，并因此移动连接至杆的端部执行器。因此，由于圆顶部与杆的连接，圆顶部的致动运动导致杆的具有两个对应运动(俯仰运动和滚动运动)dof。在图2中提供了第一电动轮组件20的轮的协调动作以产生圆顶部40和杆50的第一俯仰运动dof的示例。图2示出了电动圆顶-轮修复装置10，其具有用于安装至轮桁架30的支承板34的每个全向轮的对应电动机。更具体地，第一电动机62、第二电动机64、第三电动机66安装在单独的支承板上，以分别可操作地连接至第一全向轮22、第二全向轮24和第三全向轮26。为了便于说明，在图2中未示出圆顶部40。杆的俯仰运动由条纹箭头表示，而黑色箭头表示用于致动俯仰运动的轮的协调运动。更具体地，轮中的两个以相同的速度以相反的方向旋转，而第三轮是静止的，因此在圆顶部和附接至其上的杆中产生俯仰运动。图3示出了第一电动轮组件20的轮的协调动作以产生圆顶部40和杆50的第二滚动运动dof的示例。同样，为了便于说明，未示出圆顶部40。杆的滚动运动由条纹的箭头表示，而黑色箭头表示用于致动滚动运动的轮的协调运动。更具体地，轮中的两个以相同的速度沿相同的方向旋转，但是第三轮沿相反的方向以较低的速度移动，因此致动圆顶部和附接至其上的杆的滚动运动。俯仰运动和滚动运动中的一个或两个经常涉及康复操作，诸如被动或辅助范围的运动锻炼。为了生成对应于踝关节和腕关节的功能运动，例如背屈/足底屈曲和内翻/外翻运动，两个俯仰和滚动的旋转dof是有用的。图4示出了电动圆顶-轮康复装置10可配置成调节圆顶部40相对于第一电动轮组件20的偏置力。圆顶部40由杆50可调节地偏置，杆50的第一端部52可枢转地连接至基座的中心部分，并且杆50的第二端部54在圆顶部的外凸表面上方延伸，杆的第二端部具有螺纹部分58和螺纹接合在其上的蝶形螺母59，并且压缩弹簧60共轴地联接至杆，压缩弹簧60具有接触外凸表面的第一端部和接触蝶形螺母的第二端部。蝶形螺母的旋转使蝶形螺母59沿着螺纹部分58平移，并调节由压缩弹簧60施加在圆顶部40上的压缩力，从而调节圆顶部40相对于第一电动轮组件20的偏置。圆顶部相对于第一电动轮组件的可调节偏置增强了用户(例如，患者)在使用该装置时的安全性。该装置对于动力传动是可机械调节的，使得能够调节传递到杆的力的量，并相应地调节传递到用户(例如，患者)的力的量。由于传递到圆顶部的力是轮与圆顶部之间的摩擦力的结果，所以对于可传递的力的量存在最大阈值，该阈值取决于两个因素：(a)轮与圆顶部之间的法向力；以及(b)接触区域的摩擦系数。如果轮所施加的力超过特定值(最大可传递力)，则轮将滑动，并且传递给用户的力将不会增加。要更改此值(最大可传递力)，有两种选择。一种是通过改变轮和圆顶部的材料来改变摩擦系数，第二种选择是通过改变它们之间的法向力的量。图4展示了圆顶部与轮之间的法向力的调节。转动蝶形螺母(条纹的弯曲箭头)因此改变弹簧中的压缩力(条纹的直箭头)，这导致改变轮与圆顶部之间的法向力(黑色箭头)。因此，拧紧蝶形螺母改变了允许施加给用户的最大力。康复方案中的最大允许力可能受到几个因素的影响，诸如运动障碍的状态、患者肢体的生物力学、性别、年龄、提供治疗的地点(诊所与家庭)。因此，最大传递动力的可调节性可能是显著的优点。装置10允许例如通过简单地调节蝶形螺母来调整最大的固有动力能力。图4还示出基座12可以是移动平台。图1中所示的基座是静止平台。图2和图3中所示的基座也是静止平台，然而，基座修改成包括轮舱70。在图4中，电动圆顶-轮康复装置10包括第二电动轮组件80，其至少部分地在基座12的下表面下方延伸。如图5中更清楚地所示，第二电动轮组件80包括第四全向轮82、第五全向轮84和第六全向轮86，每个全向轮均安装在一对平行间隔的侧壁72(在图5中每个轮舱仅示出了单个侧壁)之间，侧壁72在轮舱70上方延伸，并且每个轮的一部分在基座12的下表面下方延伸。图6示出了第二电动轮组件80的轮的协调动作以产生基座12的第一平移dof的示例。两个轮(轮82和轮84)以相同的速度沿相同的方向移动，而第三轮(轮86)以较低的速度沿相反的方向移动。图7示出了第二电动轮组件80的轮的协调动作以产生基座12的第二平移dof的示例。两个轮(轮82和轮84)以相同的速度沿相反的方向移动，而第三轮是被动的。图8示出了第二电动轮组件80的轮的协调动作以产生基座12的偏航旋转dof的示例。所有三个轮以相同的速度在相同的方向上移动。图6至图8一起示出了具有三自由度全向运动的移动平台，其为平移运动提供了大的工作空间。移动平台能够在诸如垫子或衬垫的支承表面的平面中生成两个线性dof，以及垂直于该平面的一个旋转dof。使用这三个dof，装置10可激活下肢体/下肢(le)中的膝部弯曲/伸展和髋关节外展/内收和内/外运动，以及上肢体/上肢(ue)中的肘部弯曲/伸展和肩部外展/内收和内/外运动。电动圆顶-轮康复装置10包括位于圆顶部的外凹表面上方的端部执行器，该端部执行器配置成接合动物身体部分。图9和图10分别示出了成形为手柄的端部执行器90和脚踏板端部执行器92。端部执行器设置在中心杆50的第二端部54处，位于蝶形螺母59上方。如图9中所示，力传感器可位于第二端部54处，其中端部执行器安装在力传感器94上。力传感器94可类似地安装在图10中所示的脚踏板92下面。端部执行器安装在移动和静止平台变型中。图9和图10示出了具有安装在基座12上的第二电动轮组件80的移动平台。移动平台变型可受益于稳定臂的安装。多个稳定臂96可枢转地联接至基座，每个稳定臂96均可从基座的周边的周向近端的第一位置(图9)延伸至基座的周边的周向远端的第二位置(图10)。诸如眼球轴承的球形轮98可安装在多个稳定臂中的每个的自由端部，以便承受法向力并减小接触点中的摩擦。当装置10包括与圆顶-轮旋转模块组合的移动平台时，系统的端部执行器可以以五个dof生成运动以控制患者肢体的运动。在图5中所示的对准中，由三个全向轮驱动的移动平台提供平面运动中的两个平移dof和用于偏航旋转的一个旋转自由度。此外，在图1中所示的对准中的第一电动轮组件可驱动圆顶部以提供两个解耦的旋转dof，这两个解耦的旋转dof对应于圆顶部和杆的俯仰和滚动旋转。动力传动可使用不同的机构进行，诸如齿轮、皮带、缆索等。在该示例中，为了减小结构的尺寸，使用一组齿轮来传送动力，降低转速并增大电动机的输出扭矩。齿轮组设计成具有在两个设置之间可调节的不同比率，较高的比率设计和实施成用于下肢体/下肢(le)应用，而较低的比率设计成用于上肢体/上肢(ue)应用。该齿轮比率设置可由用户利用简单的机构容易地调节，该机构定位成便于操作，例如位于康复装置的底部。例如如图11中所示，为此目的，用滑动安装件将电动机附接至动力传动装置上。如图11中所示，通过将电动机从滑块的一侧移动至另一侧，电动机的小齿轮可与不同的齿轮接合，并且可改变传动比。为了移动电动机并改变所有轮的传动比，将三个滑块附接至连接至康复装置(未示出)底部的转盘的缆索上。通过转动该转盘，电动机可移动至滑块的对应侧。具有这种新颖的特征，该系统可表现出由于低齿轮比的用于ue应用的低的固有机械阻抗，同时能够用于高力和高扭矩le应用。由于患者经常是虚弱的并且在治疗的初始阶段不能开始运动，因此具有低的固有机械阻抗对于确保患者参与治疗是有利的。该双模式滑动安装件提供第一滑动位置和第二滑动位置，在第一滑动位置，为了用于ue的低机械阻抗，可操作地将电动机与具有第一齿轮比的第一组齿轮接合，在第二滑动位置，为了用于le应用的足够的输出力，可操作地将电动机与具有第二齿轮比的第二组齿轮接合，用于le应用的第二齿轮比大于用于ue应用的第一齿轮比。还可实现多模式齿轮箱，用于将电动机动力向圆顶-轮模块传动。对于圆顶-轮模块，动力传动机构(ptm)是如图12中所示的两级齿轮组。在该ptm中，电动机的小齿轮的位置决定了接合的齿轮组级，这导致了该比率。在这种情况下，如图12a中所示，低比率ptm是5:1，如图12b中所示，高比率是10:1。使用该ptm，所实现的系统的最大可实现输出扭矩对于滚动(x)方向为60nm，对于俯仰(y)方向为52nm。与用于移动平台的双模式齿轮箱类似，用于圆顶-轮机构的齿轮箱包括双模式滑动安装件，该双模式滑动安装件提供第一滑动位置和第二滑动位置，在第一滑动位置，为了用于ue的低机械阻抗，可操作地将电动机与具有第一齿轮比的第一组齿轮接合，在第二滑动位置，为了用于le应用的足够的输出力，可操作地将电动机与具有第二齿轮比的第二组齿轮接合，用于le应用的第二齿轮比大于用于ue应用的第一齿轮比。可用来致动中心杆50的两个旋转dof的可替代性康复装置用具有可配置的输出扭矩和安全特征的缆索驱动机构来代替圆顶-轮模块。该缆索驱动机构包括电动机驱动的绞车，该电动机驱动的绞车包括绞车卷筒，缆索与该绞车卷筒缠绕或解开。术语绞车卷筒和绞车卷轴可互换地使用。图11和图12示出了一种电动缆索-绞车康复装置100，其中中心杆的定向由附接至杆的三根缆索控制。这些缆索由配备有缆索绞车机构的三个电动机驱动。缆索-绞车康复装置100包括由下表面114、上表面116和周边118界定的基座112。电动缆索-绞车组件120支承在基座112的上表面116上。电动缆索-绞车组件120包括第一绞车卷筒122、第二绞车卷筒124和第三绞车卷筒126，每个绞车卷筒均安装在一对平行间隔的承重绞车桁架130之间，该桁架从基座112的上表面116竖直延伸。每个绞车桁架130均包括一对平行间隔的竖直柱132，该竖直柱132具有连接至基座112的上表面116的第一端部和通过支承板134连接的第二端部。形成在支承板134中的孔和表面特征用于安装每个绞车及其对应的电动机170和传动组件180。缆索140具有连接至每个绞车卷筒的第一端部和连接至中心杆150的第二端部。缆索140缠绕在每个卷筒上或从每个卷筒上释放，以将运动传递到中心杆150。缆索140穿过一对水平镜像的导辊142和安装在绞车桁架支柱上的竖直导辊144，以使用于缠绕到绞车卷筒上或从绞车卷筒解开的缆索140对准。电动缆索-绞车组件120的控制协调来自三个绞车卷筒的缆索的缠绕、静止或缠绕，以控制中心杆150的运动/定向。具有图13和图14中所示的缆索对准的电动缆索绞车组件120的绞车卷筒的协调旋转可提供中心杆150的两个运动自由度(dof)，第一俯仰运动dof和第二滚动运动dof。中心杆150具有第一端部152和第二端部154，第一端部152通过万向接头156可枢转地连接至基座的中心部分，第二端部154用于安装端部执行器。为了包括安全特征，在每个绞车卷筒与电动机之间附接有摩擦离合器160。摩擦离合器可以是可调节的。通过调节摩擦离合器的最大容量，传递到缆索的力的最大量可进行调节并因此加以限制。因此，通过调节离合器的滑动阈值，可限制从电动机传递到中心杆的最大力，从而控制施加到用户的力的量。用于限制电动机的输出功率的离合器可从诸如摩擦离合器、磁离合器等的任何离合器中选择。为了减小离合器的尺寸和容量，离合器直接位于ptm中的电动机之后，在该位置，传递的扭矩的量最小。以这种方式，所选离合器的容量被最小化，因此使离合器的尺寸最小化。合适的离合器的示例是dynatech公司的eao12摩擦离合器。如图15中所示，这种小型离合器是可调节的基于摩擦的多板离合器，其最大扭矩容量为1nm。通过扭转离合器的蝶形螺母，离合器内的弹簧中的压缩力变化，这改变了离合器的滑动阈值。如图16中所示，为了在ue的情况下具有可反向驱动的选择并且对于le情况具有足够的输出扭矩，在用于缆索驱动模块的齿轮箱中提供两个ptr。如图16a和图16b中所示，通过接合不同的齿轮组，ptr可分别从5:1增大至16.25:1。在缆索-绞车模块中，缆索穿过引导件并绕过滑轮，该滑轮连接至图16中所示的齿轮组中的最大齿轮。通过调节离合器滑动阈值，机械地限制传递到齿轮的扭矩量，因此限制缆索中的最大张力和传递到中心杆的力。在图17中提供了电动缆索-绞车组件120内的电动缆索-绞车单元的协调动作以产生中心杆150的俯仰运动dof的示例。杆的俯仰运动由条纹的箭头表示，而黑色箭头表示用于致动俯仰运动的电动机控制的缆索的协调运动。更具体地，只有一个滑轮机构旋转以在其缆索中施加张力，而第二滑轮机构沿相反方向释放缆索，并且第三滑轮机构保持缆索的长度稳定而不移动，从而在中心杆中产生俯仰运动。图18示出了电动缆索-绞车组件120内的电动缆索-绞车单元的协调动作以产生中心杆150的滚动运动dof的示例。杆的滚动运动由条纹的箭头表示，而黑色箭头表示用于致动滚动运动的电动机控制的缆索的协调运动。更具体地，滑轮机构中的两个在其对应的缆索上施加张力，而另一个滑轮机构释放其缆索以沿相反方向移动，因此在中心杆中产生滚动运动。在操作中，缆索绞车康复装置可用于用户(例如，患者)的治疗或体育训练。图19和图20示出了康复装置的操作示例。尽管出于说明的目的示出了移动平台上的圆顶-轮模块，但是可通过包括缆索-绞车模块和静止平台的组合来提供类似的可操作性。对于图19中所示的ue治疗示例，该装置配备有手柄并且放置在桌子上。通过将患者的手部或前臂附接至手柄，可在ue上进行多种运动治疗。对于图20中所示的le治疗示例，进行了少量调节。首先，用脚踏板代替手柄。其次，增大动力传动机构中的齿轮比，以匹配le康复的要求。第三，稳定器臂延伸以防止装置倾斜。该装置放置在具有合适摩擦系数的衬垫或垫子的地面上。在将患者的脚附接至脚踏板之后，可开始对le的康复锻炼。为ue和le治疗设计的装置需要不同的规格。运动的范围、生成的运动的精度、阻力阻抗和生成的输出力/扭矩是ue和le康复的差异的一些示例。表1总结了在设计ue和le康复装置时考虑的规范的列表。表1：用于ue和le康复装置的所需优点和规范的列表在例如图19和图20中所示的康复装置10和康复装置100的操作中，观察到的优点包括以下的一个或多个：(a)适当的扭矩和运动范围；(b)低摩擦；(c)用于回驱动能力的低阻抗；以及(d)低总质量。为每个优点考虑的规范值的解释可从文献中针对现有装置的上下文找到。例如，在内翻/外翻方向上，用于踝关节康复所需的扭矩是40nm，并且所需运动范围是±30°。在操作期间，通过限制由装置施加到患者的力的量来满足安全性考虑。这已在文献中通过软件限制完成。然而，如果软件未能检测到故障事件或者如果感觉系统未能向软件报告不安全事件，则仅依靠用于固有动力系统的基于软件的安全性特征可能是有问题的。例如，包括在装置10和100中的替代性方法实现固有安全的机械机构，该机械机构可被调节以调整允许传递到患者肢体的最大力的量。这为ue和le康复装置提供了新颖和安全的机械设计。优点还包括结构设计和致动器类型的简单性、宽运动范围(工作空间)及其用于多用途应用的能力。上面已经描述了康复装置的说明性版本和几种变型，而没有任何预期的一般性损失。还构思了修改和变型的示例。例如，圆顶部形状不必限于半球形外壳，并且可以是适于应用的任何方便的形状，包括例如椭圆体、诸如台地金字塔的锥体或任何功能的测地线形状。考虑到一个或多个考虑因素，包括例如减小装置的总尺寸、提供平滑运动、减小摩擦、增强组件的强度和减轻重量，可将任何方便类型的轮包括在装置内。轮的尺寸可基于附接至轮的内部正齿轮(或其它方便的动力传动)和最大所需强度来优化。虽然在附图中示出了全向轮，但是也可包括其它全向轮，诸如mecanum(或ilon)轮，以适于特定的应用。另外，图中所示的全向轮是双排的，因此轮和垫子的接触点保持为像完美的圆。具有这一特征，移动平台在移动时表现出减小的摆动(上和下)，这因此使运动平滑或噪音较小。尽管示出了双排全向轮，但是也可容易地包括其它类型的全向轮，诸如单排全向轮或三排全向轮。尽管轮示出为相对于基座对称对准，但是应当注意，不对称对准是容易实现的。例如，在圆顶-轮模块中，示出了平行于基座的共面对准的3个轮。然而，康复装置可容纳不是共面的轮组，并且如果是共面的，则不需要限制为平行于基座。对于圆顶-轮模块、缆索-绞车模块和/或移动基座模块中的致动器，不对称对准是容易实现的。对于移动基座模块，典型的是轮的共面对准。然而，对称对准是可选的，以及非对称对准是可操作的。在圆顶-轮模块和缆索-绞车模块中都示出了三个致动器。致动器的数量不限于3个，并且可容易地包括大于3个的致动器。另外，在某些应用中，可使用少于3个致动器。例如，在其中有限的功能和运动范围是可接受的应用中，康复装置可用两个致动器或者甚至单个致动器来操作，例如当单个dof的圆顶-轮模块或缆索-绞车模块被认为是可接受的时。改变致动器的数量或致动器的对准可产生有利的组合。例如，如图21中所示，改变轮的对准以便偏离与图1中所示的基座的竖直对准，可允许第一电动轮组件产生3个doe。如图1中所示，轮相对于基座的竖直对准提供了每个轮的圆形剖面，当中心杆相对于基座处于其中间垂直定向时，该圆形剖面与杆的纵向轴线对准，使得每个轮的中心圆形剖面基本上与纵向轴线共面。三个轮组的对准使每个轮组的中心圆形剖面偏离与中心杆的纵向轴线在其中性垂直定向上的共面对准，从而提供3个运动dof。图21是这种对准的一个示例。变型对准康复装置10a包括铰接到基板上的中心杆50，以具有三个旋转dof(滚动、俯仰和偏航)。通过对每个轮施加协调运动(驱动电动机)，当轮与圆顶部(未示出)接触时，圆顶部将向所需方向移动。当圆顶部(未示出)附接至中心杆时，圆顶部运动因此移动连接至圆顶部的杆。在图22中提供了第一电动轮组件的变型对准中的电动轮单元的协调动作以产生中心杆50的俯仰运动dof的示例。杆的俯仰运动由条纹箭头表示，而黑色箭头表示用于致动俯仰运动的电动机控制的轮的协调运动。更具体地，轮中的两个以相同的速度沿相同的方向旋转，但是第三轮以相对于其它轮更高的速度沿相反的方向旋转，因此在圆顶部和中心杆中产生俯仰运动。图23示出了第一电动轮组件的变型对准中的电动轮单元的协调动作以产生中心杆50的滚动运动dof的示例。杆的滚动运动由条纹箭头表示，而黑色箭头表示用于致动滚动运动的电动机控制的轮的协调运动。更具体地，轮中的两个以相同的速度沿相反的方向旋转，而第三轮是静止的(被动的)，因此在圆顶部和中心杆中产生滚动运动。图24示出了第一电动轮组件的变型对准中的电动轮单元的协调动作以产生中心杆50的偏航运动dof的示例。杆的偏航运动由条纹箭头表示，而黑色箭头表示用于致动偏航运动的电动机控制的轮的协调运动。更具体地，所有的轮以相同的速度沿相同的方向旋转，因此在圆顶部和中心杆中产生偏航运动。图25示出了改变致动器的数量或致动器的对准以产生有利组合的另一示例。四个电动缆索-绞车单元支承在基座上，并且代替如图14中所示的缆索与中心杆基本垂直的附接，缆索和中心杆的每个附接均垂直偏离。变型对准康复装置100a包括铰接到基板上的中心杆，以具有三个旋转dof(滚动、俯仰和偏航)。通过使用绞车机构在缆索中施加张力，中心杆沿所需的方向移动。图25中所示的对准可生成与滚动、俯仰和偏航相关的三个运动dof。在图26中提供了在电动缆索绞车组件120的变型对准中的电动缆索-绞车单元的协调动作以产生中心杆150的俯仰运动dof的示例。杆的俯仰运动由条纹箭头表示，而黑色箭头表示用于致动俯仰运动的电动机控制的缆索的协调运动。更具体地，只有绞车机构中的一个旋转以在缆索中施加张力，而第二绞车机构通常径向相对地释放缆索，而第三机构和第四机构(通常彼此径向相对)保持其缆索的长度稳定而不移动，因此在中心杆中产生俯仰运动。图27示出了在电动缆索绞车组件120的变型对准中的电动缆索-绞车单元的协调动作以产生中心杆150的滚动运动dof的示例。杆的滚动运动由条纹箭头表示，而黑色箭头表示用于致动滚动运动的电动机控制的缆索的协调运动。更具体地，只有第三绞车机构旋转以在缆索中施加张力，而第四机构通常径向相对地释放缆索，并且第一机构和第二机构保持其缆索的长度稳定而不移动，因此在中心杆中产生滚动运动。图28示出了在电动缆索绞车组件120的变型对准中的电动缆索-绞车单元的协调动作以产生中心杆150的偏航运动dof的示例。杆的偏航运动由条纹箭头表示，而黑色箭头表示用于致动偏航运动的电动机控制的缆索的协调运动。更具体地，第一机构旋转以在其缆索中施加张力，并且通常径向相对的第二机构也对其缆索施加相等的张力，而第三机构和第四机构都释放缆索，因此在中心杆中产生偏航运动。端部执行器不限于用于接合手部和脚部的适配器，并且可配置成用于任何合适的身体部分，诸如用于前臂、肘部、胫骨/小腿、膝盖等的套筒或支架。手柄、带子和紧固件可以以任何所需的组合使用。中心杆对于圆顶-轮模块不是关键的。中心杆用于连接至圆顶部以使圆顶部相对于第一电动轮组件偏置。例如，偏置功能可通过将基座连接至圆顶部的细丝或电线容易地实现，其中电线的偏置张力可调节。类似地，可使用杆和电线的组合。当不包括杆时，则端部执行器可连接至圆顶部。材料、电力和/或机械组件的选择、以及用于为特定实施例配置康复装置的制造技术是本领域技术人员所熟知的，并且本文所述的任何材料和组件的配置仅用于说明的目的，并且本领域技术人员可获得许多等同物。用于移动基座模块的支承工作表面可以是提供足够摩擦的任何合适的硬质平坦平面。地板表面或桌子表面可具有合适的性质。便携式垫子或衬垫也可构造成提供工作表面。地面(工作)垫子可由具有任何硬度水平的任何材料制成，只要垫子的表面在机器人的操作期间保持平坦即可。垫子与机器人的轮之间的摩擦系数通常可具有从0.1至0.9的任何值。可操作的值通常在0.3至0.8的范围内，但是也可适应该范围之外的值。地面垫子的说明性示例包括硬的、刚性的木材件(以确保平整度)加上橡胶(氟橡胶)的粘合层，以增加与轮的接触点的摩擦系数。可使用任何类型的合适的动力传动机构(ptm)，包括例如带传动、链传动、齿轮传动、缆索传动、绳索传动等。对于康复的应用，ptm的选择可考虑运动的精度为0.1mm的量级。另外，为了装置的移动性和/或装置的便携性，ptm的尺寸应当小且轻。齿轮型ptm可容易地满足这些考虑。在其它实施例中，可使用缆索或带ptm。例如用于ue应用的端部执行器类型的康复装置的重要考虑是端部执行器的低固有阻抗。当患者试图在没有来自装置的任何帮助的情况下移动肢体时，该特征在治疗的辅助阶段特别有用。在这一阶段，由于患者受损肢体的肌肉仍然很薄弱，装置应为患者提供较低的阻力，并且装置应降低运动阻力。考虑到这一特征，导致了可反向驱动的传动机构，或者以其它方式提供了更低的动力传动比(ptr)。由于该装置的应用还提供了le康复，为满足输出力的要求，动力传动机构应提供足够的输出力。这意味着为了保持致动器的尺寸和动力尽可能低，ptr应该足够高以增大致动器的输出扭矩。保持ue的ptr较低以及le的ptr较高是可很容易调节的多档可调ptr机构的优点。为移动基座和圆顶-轮模块和缆索-绞车模块提供了在检测传递到用户(例如，患者)的力时传感器发生故障的情况下的装置的安全特征。在移动基座中，由于运动由支承表面上的全向轮产生，可传递的力/扭矩的量可以以两种方式调节：(a)通过改变ptr；以及(b)通过改变支承表面诸如衬垫或垫子的材料类型。基于应用类型(例如，ue或le)修改ptr将限制由装置产生的输出力。而且，改变衬垫或垫子的材料将改变轮与垫子之间的摩擦系数，并限制由装置生成的输出力。对于圆顶-轮模块，可通过改变ptr并通过调节圆顶部与轮之间的法向力来限制传递的扭矩的量。在缆索-绞车模块中，通过改变ptr和通过改变摩擦离合器的滑动阈值，可限制传递的扭矩的量。安全特征是可选的，但是由于突出的优点经常包括这些安全特征。可包括一个或多个安全特征，并且该安全特征可合适的与其它常规的安全特征相结合。圆顶-轮和缆索-绞车模块都可安装在移动平台或静止平台上。尽管移动平台必须包括比对应的静止平台更多的组件，但是对于这两种类型的平台，可能需要保持足够低的重量以允许便携性。除了便携性之外，结构的轻便性还可提供减小致动器尺寸和减小端点阻抗的优点。在这种情况下，基座的重量和尺寸可选择为轻便性和强度的组合。例如，由厚度为6.35mm且总直径为290mm的铝合金7075t6制成的单个基板可足以支承用于ue和le应用的圆顶-轮或缆索-绞车模块。计算板的厚度以承受1000n的最大力，安全系数为4。使用solidworkssimulation在静态加载条件下进行有限元分析。足够的尺寸是直径为290mm，其可适合将所有组件附接并封闭在基板内。最小化基座直径将减小装置的总尺寸，并因此使装置更适合于ue应用，并增加便携性。然而，具有用于移动平台的小基座将减小轮与地面衬垫的接触点之间的距离，这尤其可导致在le应用中装置的倾斜。为了解决这个问题，在可移动平台的侧部上设计了可折叠机构(稳定臂)，该可折叠机构(稳定臂)可在le模式下打开，以增加装置与地面的接触点。它也可在内部折叠以减小ue模式中的装置的总尺寸。使用稳定臂，不用改变装置基座的尺寸，接触点之间的距离就可增大两倍或任何其它方便的倍数。在装置的组合的每个中的装置都适于计算机控制和机器人实施例。计算机控制和机器人实施例需要安装处理和通信装置(诸如命令输入接口)，并且也受益于诸如传感器的其他电子装置的并入。在图29中示出了机器人实施例的示意图。为了允许不同的康复锻炼(诸如被动运动治疗和动觉互动治疗)，需要不同的操作模式，即：位置、速度和电流控制模式。对于每种模式，对应的反馈是有用的，特别是在机器人实施例中。有用的反馈形式的示例是(a)位置、(b)速度和(c)致动器的电流以及(d)由患者肢体与机器人之间的相互作用产生的力。定位传感器。为了将移动基座的位置定位在地面垫子上，可能有不同的方法。一种方法是由claronav开发的具有microntracker型号bb-bw-s60立体相机的立体视觉跟踪系统。使用这种技术需要将相机安装在工作空间旁边，并将跟踪图案附接至机器人，同时在所有时间对相机都是可见的。这为校准过程带来了挑战。另外，使用跟踪器测量的位置的更新速率是30hz，这对于治疗应用所需的高质量控制是低的。已经开发了其它方法来克服这些挑战。为了以低的总成本实现运动的精度，可采用常规可用的增量传感器。对不同增量传感器之间的比较发现了有用的示例，包括使用两个adns-9800激光运动传感器来测量在地面垫子上的机器人基座的相对位移。传感器附接在基板底部的适当位置(图30a)，以测量沿两个方向的运动速度。这些传感器中的每个都能够测量沿两个方向(局部x和y坐标)的增量运动。通过注入由两个传感器收集的数据，可测量在两个线性方向(全局“x”和“y”)和一个旋转(全局“z”方向)上的运动量。对于期望用于治疗应用的运动类型，机器人在地面垫子上的位置的的精度测量可为0.05mm。可通过使用sharpgp2y0a21yk来增强激光传感器，以提供全局运动测量。如图30b中所示，这些传感器可以以5mm至高达1.5m的范围的精度测量机器人与工作空间的周围壁之间的距离，并附接在移动基座的侧部。虽然激光传感器可单独运行，但是通过注入增量激光传感器的高精度测量和这些绝对接近传感器的低精度数据，可增强机器人的全局位置测量。定向传感器。为了说明中心杆的定向和角速度的测量方法，提出了两种替代的代表性方法，即(i)使用致动器的位置和运动学计算的间接方法，和(ii)杆的位置的直接测量。应当注意，在包括机械安全特征的实施例中，间接方法不能用作机器人的位置/速度控制回路的反馈，所述机械安全特征允许当所施加的力高于调节后的阈值时圆顶-轮模块中的轮滑动或者允许缆索-绞车模块中的离合器滑动。因此，不建议基于致动器位置的关节空间测量来计算机器人端部执行器(其与患者肢体相互作用)的笛卡尔域运动。替代的解决方案是直接测量杆的定向和角速度。为此目的，一种方法是将增量或绝对编码器附接至在基座处的旋转接头的对应轴。然而，由于旋转接头的尺寸限制和小尺寸编码器的成本，这种方法可能不是最佳选择。另一替代选择是将陀螺仪传感器附接至杆上，以测量机器人的端部执行器的定向。通过对陀螺仪的输出进行积分，即在精确中断循环中提供的两个dof中的角速度，可测量相对于初始位置的相对旋转量。合适的陀螺仪传感器的示例是具有16位adc和满量程范围为±2000dps的三轴陀螺仪分闸板mpu6050。通过使用该传感器，可实现3×10-2度/秒的角速度精度，该精度足够高来控制杆的定向。传感器附接至杆上。其他有用的选择是使用通过间接方法计算的估计位置来测量可能发生的滑动量。这可通过比较用直接方法测量的位置和从间接测量获得的位置来完成。滑动计算在实践中有益于(a)使滑动事件期间致动器消耗的功率最小化，以及(b)防止由圆顶部的内表面与圆顶-轮模块中的轮或缆索-绞车模块中的离合器之间的滑动引起的过度腐蚀。力测量。为了允许支持触觉的治疗，有利地测量患者与机器人之间的相互作用力和扭矩的量。测量相互作用力和扭矩的一种说明性方法是在机器人与患者肢体的界面处安装力传感器。考虑诸如le治疗中力的范围、力传感器的尺寸、数据采集技术和价格等不同因素，提出六轴hex-70-ce-2000noptoforce传感器作为合适的力传感器的示例。传感器数据的最大更新速率是1khz，其可使用uart接口通过daq模块读取。力传感器附接在端部执行器与中心杆的第二端部之间，例如附接在把手手柄与中心杆之间(图9)或者附接在脚踏板与连接杆之间。致动器。对于机器人实施例中的装置，存在多种可行的电动机，即来自不同制造商的ec或dc电动机。关于致动器选择的考虑因素中的一些是驱动器的可用性、使用的方便性、高速通信、尺寸、重量、工作电压和制造商的技术支持。maxonec平电动机是合适电动机的示例，它可在低速下提供高扭矩，且价格合理。由于重量和尺寸的限制以及与其它电动机相对较高的输出扭矩，这种选择适合于这种特定的应用。选择maxonec4550w36v电动机分别以0.09nm和0.48nm的连续扭矩和失速扭矩驱动全向轮。为了减少去往和来自移动平台的电线的量，驱动器设计成安装在移动基座的周边内。通过这种方式，电动机与驱动器之间的连接在移动基座的周边内，并且缆索连接被最小化。驱动器选择的指南如下。电子驱动器选择。电子驱动器的选择考虑了标准，诸如(a)功率、(b)致动器的工作电压、(c)用于安装的可用空间、(d)可能的操作模式(位置、速度或电流模式)以及(e)通信接口。为了提供多种类型的康复锻炼(诸如被动运动治疗和互动动觉治疗)，以位置控制、速度控制和电流控制操作模式中的一种或多种来控制致动器是有用的。为了实现高质量的力控制和扭矩控制，低电平控制回路的高工作频率是有用的。结果表明，对于一般的触觉再现系统，采样频率限定了力反馈的允许强度。这与z宽度的概念相关。在这一点上，所实现的通信接口的能力在采样频率和控制回路的速度中起重要作用。这是由于接口的波特率不同直接影响控制回路的速度。对于所选择的致动器，基于不同的工作电压和电流，maxon提供多种数字定位控制器。为了最小化控制器的尺寸和价格，epos2模块36/2是具有所需的具有1mb/秒usb/canopen通信接口的控制模式的合适示例。在使用六个电动机的示例中，该模块允许串联连接所有六个驱动器，并且使用在第一节点上的usb/canopen接口来控制致动器。处理和通信装置。在该示例中，对于高电平控制，在matlab/simulink中使用实时quarc库(来自加拿大安大略省马卡姆市的quanser公司)。quarc库提供了强大的工具和能力，诸如实时和多线程控制，它们可容易地与如以太网和daq卡的硬件接口交互。为了简化和减少电线和缆索的量，使用本地中间处理系统作为机器人与quarc之间的接口。该处理单元的任务是从高电平控制器接收致动器命令，并将它们发送到epos驱动器，同时它读取传感器的数据，并将它们发送回高电平控制器。基于该处理单元所需的计算能力和尺寸，选择raspberrypi(rpi)版本3b作为机器人上的低电平处理单元。quarc与raspberrypi之间的数据传递协议是基于经由以太网的缆索的udp协议。该通信接口提供高电平控制器与低电平控制器之间的快速和实时(对于64字节数据包大小，测量的传递时间<400μs)数据传递。在图31中示出了涉及的系统和组件以及通信协议的示意图。应当注意，为了实现鲁棒的和高质量的力和扭矩控制，建议高电平控制器回路具有至少1000hz的更新频率。这意味着，对于每个回路，低电平控制回路应该能够在小于1ms内发送命令数据并接收来自所有epos驱动器的反馈(位置、速度或电流)以及来自optoforcedaq和陀螺仪传感器的反馈数据。基于maxon驱动器的通信数据表，使用usb接口，可为每个驱动器实现大约2.3ms的更新速率。这将导致向六个epos驱动器发送数据并且从六个epos驱动器接收数据的总采样时间为13.8ms。为了使raspberrypi与epos驱动器之间的通信更快，通过将pican2.0屏蔽件附接至raspberrypi来使用canopen接口。使用socketcan库，包括所有epos驱动器的采样时间减少到1ms。图31示出了用于在raspberrypi与epos驱动器之间传递数据的通信图。对pi编程。rpi的有趣的特征中的一些是：(a)具有相当强大的处理能力的小尺寸单元(与移动电话一样小)；(b)多种的i/o接口，如通用异步接收器/发射器(uart)、串行外围接口(spi)、以太网(lan和wan)；以及(c)提供linux操作系统环境(raspbian)，用于开发代码和用户接口(ui)。将所有这些有趣的特征结合在一起是选择rpi作为本地处理单元(lpu)的合适示例的原因，因为：(a)它可用于本地读取传感器数据(消除到机器人的和来自机器人的大量缆索)；(b)使用serial或canopen协议与驱动器通信(发送命令和接收电动机的反馈)；(c)使用udp协议向运行matlab的pc发送和接收控制命令。加入所有这些特征显著地减少了附接至机器人的缆索的量，这在机器人是移动平台时是有利的。在该示例中，为了优化用于运行本地控制回路的rpi，总任务分成4个主要的半独立功能：(i)控制epos驱动器；(ii)udp发送和接收；(iii)配置和读取optoforce数据；以及(iv)通过uart从arduino读取传感器数据。这里将描述每个任务的细节。(i)使用rpi控制epos驱动器usb与canopen。要将epos2驱动器连接至rpi，使用的第一接口选项是usb。通过使用由maxon为linux系统提供的库，开发了c++程序以通过在测量经过的时间的同时向节点1发送和接收命令来控制raspbian中的epos驱动器。向epos驱动器的一个节点发送命令和接收反馈平均花费8ms。当系统总共具有6个致动器(驱动节点)时，将花费约48ms来命令一个控制回路中的所有致动器。该经过的时间量将把控制回路速度限制到20hz，这比所需的用于系统的高质量数字控制的1khz的值低得多。发现通信速度慢的问题的原因是rpi中的usb通信接口。基于maxon数据表，为了增加通信速度，建议epos上的canopen接口。由于rpi没有canopen接口，这使得我们使用rpi上的pican2屏蔽件来进行canopen通信，从而以更快的速度控制epos2驱动器。通过使用volkswagen研究院为linux内核贡献的socketcan库，开发了另一代码来控制raspbian上的epos2。使用这种方法，将向每个epos节点发送命令数据所经过的时间减少到150μs，这意味着对于6个节点，所经过的时间将是900μs。由于该经过的时间值低于1ms，具有速度为1khz的控制回路是可能的。控制模式。除了不同类型的反馈之外，还可在epos驱动器中限定不同的控制模式。在rpi中以低级c++代码控制驱动器需要限定epos驱动器的操作模式(简档位置、速度或电流)和反馈类型(实际位置、速度或电流)。总之，以canopen协议设置和运行驱动器时应遵循的过程列于表2中。为了在simulink与rpi上开发的用于控制机器人的代码之间进行通信，如表3中所概括的，限定了用于epos的八种操作模式。存在两种主要的操作模式：(a)具有id“333”的设置模式和(b)具有以“1”开始的id的操作模式。在如表3中所示的开发代码的最后版本中，对于不同的命令和反馈存在十种操作模式。值得注意的是，在simulink代码开始的第一个0.01s内，将激活设置模式以设置epos驱动器中的参数，之后，将激活特定的操作模式。在设置模式之后，在simulink中的高电平控制代码的初始阶段，操作模式将被发送到rpi。表2：用于初始化、启用和操作的epos配置程序表3：在rpi中为epos驱动器以开发的代码限定的不同控制模式模式id定义111具有实际位置反馈的简档位置模式112具有实际速度反馈的简档位置模式113具有实际电流反馈的简档位置模式121具有实际位置反馈的简档速度模式122具有实际速度反馈的简档速度模式123具有实际电流反馈的简档速度模式124无反馈的简档速度模式131具有实际位置反馈的电流模式132具有实际速度反馈的电流模式133具有实际电流反馈的电流模式333设置模式(ii)udp发送和接收udp数据包定义。如上所述，移动处理单元(rpi)与matlab(pc上的simulink)之间的数据传递将经由使用udp协议的以太网连接。这是使用附接至移动平台的单个以太网缆索进行数据传递的最快方式。具有这种选择是有用的，因为可使用rpi的wifi模块(通过保持与上述相同的通信协议)来消除将以太网缆索附接至机器人的需要。为此目的，由quanser在simulink中提供的streamclient块用于向rpi发送udp数据包，而streamserver块用于从rpi接收udp数据包。从simulink传递到rpi的数据的数据包大小是9个4字节的双精度浮点类型。该数据包包含表4中所示的以下结构。对于从rpi到simulink的反馈数据，数据包大小是表5中描述的二十一个4字节双精度浮点数。所测量的通过udp发送和接收数据包所经过的时间大约是400微秒，这低于quarcsimulink中的1ms的循环时间。表4：从simulink向rpi发送数据包配置表5：从rpi接收到的数据包配置(iii)读取optoforce数据在该示例中，有三种选择可用于与optoforcedaq卡通信：(a)rs232；(b)通过usb的uart；以及(c)canopen。为了具有安全连接，使用usb连接将daq卡连接至rpi。还开发并测试了代码，以便以4种不同的更新速率：1khz、333hz、100hz和33hz从optoforcedaq卡读取数据。在该示例中，选择最快的更新速率(1khz)。首先，在设置模式中，将调零命令发送至daq卡，而在操作模式中，通过uart读取数据。(iv)通过uart从arduino读取数据尽管spi和i2c是用于附接传感器并通过rpi读取数据的可用接口之一，但是模拟传感器不能与其直接连接。为了克服这个问题，所有的传感器，即adns、sharp和陀螺仪(gyro)分别连接至具有spi、analog和i2c接口的arduinomicro，以配置和读取数据。在使用将花费小于1ms的arduinomicro读取传感器数据之后，将通过串行协议(uart)将数据发送到rpi。在rpi中开发合适的代码以从arduino读取数据。rpi上的多线程代码。尽管rpi具有所有优点(例如，小尺寸、多种接口等)，但是cpu的处理能力有限。在该示例中，为了确保rpi上的本地控制循环花费少于1ms来完成，开发了多核线程代码来运行前面提到的四个主要的半独立任务。为此目的，“pthread”库用于运行四个并行线程，以运行四个上述无限循环函数。通过使用该库，所有函数可在少于1ms内完成功能循环，并且将准备好由simulink中的quarc控制的下一个精确的命令循环。为了提供康复装置和机器人实施例的示例性配置的目的，提到了诸如传感器、致动器、电子驱动器、控制器等的具体组件。应该认识到，具体选择的商业可用的组件对于装置的操作都不是关键的，并且可容易地用其它商业可用的或定制设计的等同物来代替。治疗或训练所需的物理参数可从多个来源得出，包括现有文献、物理治疗专业人员、最终用户反馈等。一旦确定了治疗或训练实施例的物理参数，就可使用数学建模来确定圆顶-轮、缆索-绞车或移动基座模块中的致动器的合适配置。例如，基于在表1中给出的所需的力和运动速度范围，可如下所说明地计算圆顶-轮或缆索-绞车模块和对应的致动器所需要的功率的估计。基于文献中现有的踝关节训练机器人的设计，通常不能预期大于π/2rad/s的旋转速度。此外，考虑表1中给出的所需要的输出扭矩，定向机构的最小功率可计算为：ps＝t×ω＝40nm×π/2rad/s＝62.8w(公式1)其中，ps是所需要的最小功率，t是最小输出扭矩，以及ω是系统的最小输出速度。在圆顶-轮和缆索-绞车模块中的三个致动器的示例中，计算一个模块中的致动器的最小功率可用于选择和配置致动器以在另一个模块中也生成输出扭矩。在圆顶-轮模块的情况下，为了计算每个轮对总功率的贡献，进行输出力的静态分析。如图32a和图32b中所示，考虑到全向轮的对准，每个轮在生成滚动和俯仰方向上的运动中所做的贡献可相加，以产生tx和ty，如其中，tx和ty分别表示在滚动和俯仰方向上生成的扭矩。此外，rp是轮与圆顶部的旋转中心的接触点之间的距离。在该设计中，rp对于所有轮都是相同的。此外，fwk,k＝{1，2，3}，是由每个轮施加的力，其可在范围[-fmax，fmax]内变化。使用(公式2)，可计算每个致动器在生成总扭矩输出中的贡献。为了简化分析，将该公式关于几何参数进行归一化。为此目的，fmax的归一化值是1n并且归一化rp是1m。图33示出了当fwk在[-1，1]n的范围内变化时tx和ty的所有可能值。改变tx和ty的值分别为tx和ty生成在[-2，2]nm和[-√3，√3]nm的范围内的扭矩(注意，√符号表示平方根)。基于(公式2)中所示并在图25中直观的力分解，输出扭矩矢量的幅度在“x”方向上具有等于“√3nm”的最小值。因此，为了在所有方向上实现系统所需要的功率，每个致动器的功率应当至少为总需要功率的1/√3。对于可用于三个致动器的示例的圆顶-轮和缆索-绞车模块中的定向机构中的每个致动器，这给出了36.3w的值。可对移动基座进行类似的推导，以计算致动器所需的最小功率。如表1中所述，对于le应用，在平面方向上的最大力为400n，对于治疗过程，不预期大于0.2m/s的速度。这意味着移动平台的系统所需的最小功率是80w(力和速度的乘积)。使用雅可比矩阵，对于三个致动器的示例，每个致动器所需的最小功率可计算为总功率的1/√3，即为46w。在数学建模的其他示例中，描述了传感器的数据采集算法。adns定位。由adns激光传感器在1ms步进时间内捕获的增量运动发送到simulink代码。目标是传递从两个adns传感器收集的数据，以测量在程序开始时机器人的基板相对于初始位置的运动量。使用(cimino和pagilla，“用于位置感测的移动机器人上的鼠标传感器的最佳位置(optimallocationofmousesensorsonmobilerobotsforpositionsensing)，”自动化(automatica)，vol.47，no.10，pp.2267-2272，2011)中提供的方法，由传感器测量的增量位移可转化为机器人的基板的全局位置和定向。如图34中所示，分配了四个坐标系：(a)附于地面垫子的全局坐标系cg；(b)机器人的中心的局部坐标系cr；(c)附于与测量方向对准的右传感器的位置的坐标系csr；以及(d)附于与测量方向对准的左传感器的位置的坐标系csl。每个传感器的位置os由相对于xr具有角度ψs的位置矢量rs确定。xs与xr之间的角度由示出。由传感器测量的增量位移可以以矢量格式δsos＝{δxsr，δysr，δxsl，δysl}t示出。这里sr是附接至基板右侧的传感器，而sl是在左侧的传感器。为了将测量值从局部传感器坐标系csr和csl传递到全局坐标系，可使用旋转矩阵or在全局坐标中的增量位移δu可通过使用公式4来计算。δu＝f+b(公式4)其中，f+是f的伪逆f+＝(ftf)-1ft(公式5)通过随时间积分δu，机器人中心or的位置矢量可计算为ut+1＝ut+δu。为了控制机器人的位置和速度，需要机器人在局部坐标下的速度{vx，vy，ωz}t与轮的旋转速度{ω1，ω2，ω3}t之间的数学关系。如图32a中所示，机器人的中心示出为到每个轮与垫子的接触点的矢量_rk。如图32a中所示，矢量_rk和轴x之间的角度分配有角度θk，k＝{1，2，3}。机器人在局部坐标上的速度{vx，vy，ωz}t与轮的旋转速度之间的关系可表示为公式8。在该公式中，rw是轮的半径，rp是机器人中心和轮与垫子的接触点之间的距离。使用公式8并且在局部坐标系中具有所需的机器人速度，我们可计算可作为命令发送给驱动器的所需的轮的旋转速度。这里使用的导出系统的逆运动学模型的方法使用了在(robinson等人，“使用全向轮的atlas球形定向装置的速度级动力学(velocity-levelkineticsoftheatlassphericalorientingdeviceusingomniwheel),”transactionsofthecanadiansocietyformechanicalengineering，vol.29，no.4，pp.691-700，2005)中的基于速度的动力学方法。如图32a中所示，两个坐标系用原点o和o定义，两者都在万向接头的中心处。全局坐标系cg的轴线固定在基座平面处，而旋转坐标系c1的轴线关于圆顶部固定。在图32a中所示的每个轮的中心定义另一组坐标系ck。从点pk(轮k与圆顶部的接触点，位于轮上)的速度开始，我们可在轮的局部坐标中计算该速度矢量为vpk＝ωk×rk＝[ωk,0,0]t×[0,0,rw]t＝[0,-rwωk,0]tk∈1,2,3(公式9)这里，vpk是点pk在ck的局部坐标中的速度，ωk是轮“k”的旋转速度。此外，rk和rw分别是点pk的位置矢量和轮的半径。使用变换矩阵tk，ck中的速度可映射为cg中的速度，如公式10中所示，其中变换矩阵在关于xk和zk的两次旋转之后将ck的局部坐标映射到cg的全局坐标。vpk＝tkvpk(公式10)其中在该公式中，“c”和“s”分别表示变量的余弦和正弦。已知在cg中的轮和圆顶部之间的接触点的速度，圆顶部的角速度可计算为在该公式中，rk是将cg的原点连接至接触点pk的径向矢量，以及||rk||2是该矢量的第二范数。而且，当其它轮处于自由运动时，ωk是由第k个全向轮生成的圆顶部的角速度。对由每个全向轮生成的三个角速度矢量求和，可计算出圆顶部的总角速度矢量为ω＝σ3k＝1ωk。因此，可从轮的角速度与圆顶部的角速度之间的关系获得如下雅可比矩阵：其中在公式13中，r1x、r1y和r1z是径向矢量rk的三个分量。如从公式13中可见，雅可比是时间不变量，并且仅取决于系统的几何参数。因此，如果常量可选择成使得j是非奇异的，则可使用圆顶部的所需角速度ωdes来获得每个全向轮的角速度ωk。基于在(robinson等人，transactionsofthecanadiansocietyformechanicalengineering，vol.29，no.4，pp.691-700，200)中进行的奇异性计算，内部奇点仅在轮的半径变为零rw＝0或圆顶部半径趋于无穷大r→∞的不切实际情况下出现。在机构的工作体积极限处仍然存在边界奇点，例如，当连接杆接触轮中的一个时。考虑到边界奇点，机器人的安全工作体积是具有30度的顶角的圆锥体。圆锥体的尖端在旋转中心，并且主轴沿着cg的z轴。治疗或训练模式。基于恢复或训练的阶段，可使用不同的被动或主动机器人辅助治疗模式。例如，由机器人辅助康复提供的各种治疗模式可包括：(i)被动模式；(ii)主动模式；(iii)主动辅助模式；以及(iv)主动抵抗模式。例如，在较早的治疗阶段，由于肌肉无力和患者不能自主运动，可执行被动模式。在该阶段，目标是减少肌肉萎缩和增加运动范围。通过恢复肌肉力量和在治疗期后的更多恢复，可使用主动模式以使患者参与康复过程。在该阶段中，患者的自主运动改变机器人在执行任务时的轨迹，因此该治疗阶段称为患者负责阶段。主动模式在初始阶段可以是辅助性的，以增加患者在执行任务时的自觉性，或者它们也可以是抵抗性的，以增加肌肉的力量。前面的模式类似于传统疗法中的治疗师负责阶段，后者称为主动约束模式。在康复装置的机器人实施例中，为被动、主动辅助和主动抵抗治疗模式实现了各种控制策略。控制策略。已经开发了许多控制策略来使用诸如位置、力或生物信号的不同的反馈数据，以提供适当的治疗过程以及控制机器人系统与患者身体之间的交互。用于机器人辅助康复的四种示例性控制策略是：(a)位置控制；(b)力和阻抗控制；(c)基于emg的控制；以及(d)自适应控制。基于位置的跟踪控制(机器人负责阶段)移动基座。如在治疗的初始阶段所需要的，机器人可在位置模式中被控制。如图35中所示，通常使用的位置控制回路是闭合的pid控制回路。这里，所需的全局位置将是控制回路的输入。所需位置与实际位置之间的误差将发送到良好调谐的pid控制器，该pid控制器的输出将使用旋转矩阵转化成局部坐标系中的机器人的速度。使用在公式8中的雅可比计算，将计算轮的所需旋转速度。通过已知ptr，所需的到epos驱动器的速度将使用udp协议通过以太网缆索发送至机器人。圆顶-轮或缆索-绞车模块的定向。为了评估圆顶-轮或缆索-绞车模块在生成所需运动时的性能，首先在matlab/simulink中开发了轨迹控制器，该轨迹控制器使用从陀螺仪传感器获得的定向反馈。在图36中示出了所实现的控制回路的示意图。可看出，在应用pid控制器之后，计算基于速度的控制信号，然后将其用于使用机器人的逆雅可比来生成电动机的所需角速度。在该示例中实现的控制回路示出了机器人在提供与可调节传递的力相对应的所需运动和安全特征方面的性能。圆顶-轮或缆索-绞车模块的相互作用力控制。为了控制机器人与患者肢体之间的相互作用力，在matlab/simulink中设计并实现了pid控制器。在图37中示出了所实现的控制回路的示意图。该控制器使用由力传感器(optoforce)测量的相互作用力作为反馈。所需值和所测量的反馈之间的差值用于计算被命令到机器人的所需速度。在该控制器中，pid块的输出馈送到系统的力/速度模型。该模型计算对机器人的适当命令(以速度格式)以实现所需的力。虽然已经在机器人实施例的上下文中描述了康复装置的计算机控制的几个方面，但是可根据需要替换或添加其他控制器组件和算法以适应具体实施例。康复装置适应许多不同类型的控制器组件和控制算法。康复装置装置可适应各种控制器类型和控制器算法以提供用于治疗或训练的所需运动。例如，比例-积分-微分(pid)、比例-积分(pi)或比例(p)算法可用于根据具体实施例的参数来控制康复装置。还有其他算法是常规可用的。虽然本文描述了具体控制器组件来说明机器人实施例，但是各种其它组件架构方案也是可行的。康复装置的计算机控制通常需要存储器、接口和处理器。存储器、接口和处理器的类型和布置可根据实施例而变化。例如，接口可包括与终端用户计算装置通信的软件接口。该接口还可包括配置成接收来自终端用户的请求或查询的物理电子装置。虽然在上面的示例中已经描述了raspberry控制器，但是也可使用诸如微处理器或微控制器的其它控制器。许多其它计算机装置类型也可用于适于具体实施例，包括例如可编程逻辑控制器或现场可编程逻辑/门阵列。此外，任何常规的计算机架构可用于康复装置的计算机实现的控制，包括例如通常连接至数据处理设备的系统总线的存储器、大容量存储装置、处理器(cpu)、只读存储器(rom)和随机存取存储器(ram)。存储器可实现为rom、ram、它们的组合，或者简单地实现为通用存储器单元。可将例行程序和/或子例行程序形式的软件模块存储在存储器内，然后经由处理器检索和处理以执行特定任务或功能，所述例行程序和/或子例行程序用于执行康复装置的特征以保持所需的定位、所需的定向和/或所需的接触力。类似地，可将一个或多个补偿算法编码为程序组件，将其存储为存储器内的可执行指令，然后经由处理器检索和处理。诸如键盘、鼠标或其它定点装置的用户输入装置可连接至pci(外围组件互连)总线。软件通常将通过在计算机监视器屏幕上图形显示的图标、菜单和对话框来提供表示程序、文件、选项等的环境。数据处理设备可包括cpu、rom和ram，它们也通过pci主机桥联接至数据处理设备的pci(外围组件互连)局部总线。pci主机桥可提供低延迟路径，处理器可通过该路径直接访问映射到总线存储器和/或输入/输出(i/o)地址空间内的任何地方的pci装置。pci主机桥还可提供高带宽路径，以允许pci装置直接访问ram。通信适配器、小型计算机系统接口(scsi)和扩展总线桥也可附接至pci局部总线。通信适配器可用于将数据处理设备连接至网络。scsi可用于控制高速scsi磁盘驱动器。扩展总线桥(诸如pci到isa总线桥)可用于将isa总线联接至pci局部总线。pci局部总线可连接至监视器，该监视器用作显示器(例如，视频监视器)，用于为操作员显示数据和信息，并且还用于交互地显示图形用户界面。康复装置的计算机实现的控制可适应任何类型的终端用户计算装置，包括通过网络连接进行通信的计算装置。计算装置可显示用于执行系统的各种功能的图形界面元素，诸如选择预设的所需接触力、选择移动基座路径或模式、选择控制算法、修改现有的接触力设置或现有的控制算法或者更新可本地存储在计算装置中的活动日志的数据库。例如，计算装置可以是台式、膝上型、笔记本、平板、个人数字助理(pda)、pda电话或智能电话、游戏控制台、便携式媒体播放器等。计算装置可使用配置用于有线和/或无线通信的硬件和/或软件的任何适当组合来实现。例如，在需要远程控制或远程监视康复装置的情况下，可通过网络进行通信。如果需要网络连接，则康复装置及其控制系统可适应任何类型的网络。网络可以是单个网络或多个网络的组合。例如，网络可包括因特网和/或一个或多个内联网、陆线网络、无线网络和/或其他适当类型的通信网络。在另一示例中，网络可包括适于与诸如因特网之类的其他通信网络通信的无线电信网络(例如，蜂窝电话网络)。例如，网络可包括利用tcp/ip协议(包括基于tcp/ip协议的协议，诸如http、https或ftp)的计算机网络。如本文所述的康复装置和包括康复装置的系统以及每种变型、修改或其组合可通过合适的计算机实现的方法来控制。控制康复装置的方法包括利用对应的一个或多个传感器检测力、移动基座模块的定位或圆顶-轮或缆索-绞车模块的定向数据；用控制器接收传感器检测到的实时数据；以及生成控制信号并将其通信至适当的致动器，以使实时数据与预设的所需值之间的差异最小化。如本文所述的康复装置和包括康复装置的系统以及每种变型、修改或其组合也可实现为非暂时性计算机可读介质(即，基板)上的方法或计算机可编程/可读代码。计算机可读介质是可存储数据的数据存储装置，所述数据其后可由计算机系统读取。计算机可读介质的示例包括只读存储器、随机存取存储器、cd-rom、磁带、sd卡、光学数据存储装置等。计算机可读介质可在地理上定位或者可分布在网络联接的计算机系统上，使得计算机可读代码以分布式方式存储和执行。本文描述的实施方式旨在用于说明性目的，并不意图丧失其普遍性。还设想了其进一步的变型、修改和组合，并将被本领域的技术人员所认可。因此，上述详细描述并不旨在限制所要求保护的主题的范围、适用性或配置。当前第1页12