肌电信号控制的具有球副的三自由度踝关节辅助康复装置的制造方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供肌电信号控制的具有球副的三自由度踝关节辅助康复装置。本发明包括上平台和下平台，上平台和下平台之间设有背屈/跖屈驱动装置、内翻/外翻驱动装置、内收/外转驱动装置和球副关节，背屈/跖屈驱动装置、内翻/外翻驱动装置均通过球销副与上平台和下平台连接，内收/外转驱动装置通过球销副与下平台的支撑架和球副关节的中部相连，球副关节两端分别与上平台、下平台相连，下平台上有控制系统。本发明具有以下有益效果：（1）本发明根据患者康复需要或者患者的身体感觉，形成不同的运动模式，符合生理学得特征。（2）本发明充分节省驱动能耗。（3）本发明能够完成踝关节三自由度的康复运动，可更好的实现脚部的康复。
【专利说明】
肌电信号控制的具有球副的三自由度踝关节辅助康复装置
技术领域
[0001]本发明涉及的是一种人类脚部踝关节康复装置，具体地说是一种肌电信号控制的具有球副的三自由度踝关节辅助康复装置。
【背景技术】
[0002]由于踝关节对人体运动的重要性，在康复医学工程方面，对踝关节装置的研究也越来越多，目前公开的踝关节装置被应用到许多机器人中，主要由日本HONDA公司继P2、P3之后推出的仿人机器人ASIM0，日本索尼公司推出的SDR-4紧凑型仿人机器人，川田工业株式会社(Kawada)和日本产业综合研究所(AIST)推出的HRP-4仿人机器人，日本东京大学的微型仿人机器人υΤ-μ2，韩国先进科技研究所(KAIST)发表的HUBO机器人以及HSR系列机器人。中国清华大学研制的THBIP-1I，北京理工大学和中科院沈阳自动化所合作研制的仿人机器人BHR-2和BHR-3。这些机器人踝关节装置通常具有两个自由度，其具有的前摆和侧摆两个关节，轴线垂直相交(即胡克铰结构)，这种自由度配置及其驱动方式的踝部结构复杂。美国麻省理工学院的M2双足机器人能够实现3D被动动态行走，其踝关节装置也采用2自由度的胡克铰机构，由安置在腿部上方的两个电机通过并联机构传动实现运动控制，以减轻腿的摆动惯性。其它如德国墨尼黑技术大学应用力学实验室研制的仿人机器人Johnnie、波士顿动力学公司研制的液压驱动类人双足机器人PETMAN及PETMAN II(Atlas)，哈尔滨工程大学研制的两足步行机器人HEUBR_1，踝关节装置都采用了并联机构驱动方式的2自由度机构。Oh1大学郑元芳博上研制的双足步行机器人SD-2具有两个踝部关节自由度，且两关节轴线呈现串联、空间垂直交叉的布置方式，由电机直接装在转轴上来驱动。与此类似的，还有中国国防科技大学研制的中国第一台类人型双足步行机器人“先行者”，哈尔滨工业大学研制的HIT-1II双足步行机器人。这种自由度配置及其驱动机构方式简单，但是电机及其减速装置增大了腿的摆动惯量，不利于驱动及控制，难以实现快速行走。为模拟人类从足根滚动到脚趾的自然动态行走步态，部分仿人机器人在足部设置一个趾趾自由度，从而使踝足机构自由度达到3个。如日本早稻田大学高西淳夫研制的仿人机器人WABIAN-2R和丹麦Aalborg大学研制的仿人机器人AAU-BOTl，采用直流伺服电机驱动，通过谐波传动齿轮、同步带、滑轮等减速。其踝关节装置为2自由度，且两个旋转轴线垂直相交，但脚部加有一个被动转动的趾关节。日本东京大学H7、德国墨尼黑技术大学L0LA，新加坡南洋理工大学LOCH等仿人双足步行机器人的踝关节装置有2个自由度，足趾关节I个主动自由度，可以模拟人的足尖行走功能。综上所述，受驱动和控制困难所限，现有仿人机器人踝关节装置机构大多采用相邻轴线垂直交叉于一点或空间垂直交叉的转动轴线，驱动大都采用电机+齿轮、滚珠丝杠或连杆机构等刚性传动方式。
[0003]而人体踝关节损伤或手术之后，如何使踝关节尽快恢复其机能，无疑也是一个重大的课题，国内外很多学者都开始研究踝关节装置康复机构，随着机电一体化技术的发展，陆续出现了很多由伺服电机控制的持续被动运动康复器，Salter R.B.等人研制的R机构、RR机构及RR/RRR并联关节机器人，均能实现踝关节装置符合康复要求的训练。美国新泽西大学研制的基于Stewart机构，具有6个自由度的并联踝关节装置康复机器人，其运动平台可以实现3维转动，同时还会带动脚掌和小腿进行移动，结合虚拟现实系统，可以使患者模拟进行多种情景下的康复训练。李丹提出了 4_UP(Pe)S/S生物融合踝关节装置康复机器人，其机构系统由简化为球副的人体踝关节装置和机械本体共同构成，能够实现以踝关节装置为转动中心的康复训练。而边辉等人提出的一种2-RRR/UPRR踝关节装置康复机器人，实现了踝关节装置中心与康复器运动中心始终一致，更利于踝关节装置的快速康复，避免二次损伤。王良文提出了一种具有球销副的踝关节辅助康复装置，该装置提供一种两自由度、但能近似实现三维运动。装置采用了局部的柔性连结，使得脚部的运动更加协调稳定，可更好的实现脚部的康复。在康复运动过程中踝关节装置随机构只有转动没有移动，结构简单，能实现踝关节装置损伤后恢复机能。
[0004]综上所述，现有的仿人机器人踝关节装置机构较复杂且笨重，而现有的踝关节装置康复机构很多由伺服电机控制进行持续被动运动来实现康复。运动康复过程中，不涉及康复者的主动意识，对踝关节康复过程中的人体生理感受也没有涉及，如果运动康复模式不合适，轻则影响康复进度，重则导致踝关节二次损伤。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供肌电信号控制的具有球副的三自由度踝关节辅助康复装置，该装置具有三自由度、能够实现三维运动。康复过程中，能够提取踝关节附近的肌电信号，依据人体的主动意识或者生理感受驱动康复装置运动或者控制调整康复装置的运动模式。在患者康复运动过程中踝关节随机构只有转动没有移动，并且结构简单，能实现踝关节损伤后恢复机能的一种踝关节辅助康复装置。
[0006]本发明的技术方案是:肌电信号控制的具有球副的三自由度踝关节辅助康复装置，包括上平台和下平台，上平台和下平台之间设有背屈/跖屈驱动装置、内翻/外翻驱动装置、内收/外转驱动装置和球副关节，背屈/跖屈驱动装置、内翻/外翻驱动装置均通过球销副与上平台和下平台连接，内收/外转驱动装置通过球销副与下平台的支撑架和球副关节的中部相连，球副关节两端分别与上平台、下平台相连，下平台上有控制系统，控制系统包括一个踝关节肌电信号采集装置，踝关节肌电信号采集装置中右外壳与左外壳之间形成绞接，调整带一端固连在右外壳上，一端通过粘连的方式与左外壳相连，在右外壳与左外壳的相对的内侧面安装有肌电传感器，肌电传感器的信号用导线输出。
[0007]背屈/跖屈驱动装置包括上连接座和下连接座，上连接座连接在上平台上，下连接座连接在下平台上，U型连接件的一端为下圆球，下球销盖和下球杯包裹在下圆球上，下球杯与下连接座连接，U型连接件与下连接座之间形成球销副连接，电机通过第四螺钉与双耳连接件连接，双耳连接件通过连接第三螺钉固定在U型连接件上，电机输出轴插入丝杠内孔并形成连接，丝杠与移动箱组成丝杠螺母副，移动箱通过球销副与上连接座连接。
[0008]背屈/跖屈驱动装置和球副关节装置形成的平面与内翻/外翻驱动装置和球副关节装置形成的平面夹角为90°，内收/外展驱动装置呈水平布置，与背屈/跖屈驱动装置、内翻/外翻驱动装置相互垂直。
[0009]球副关节装置的上支撑杆通过螺纹与上平台连结，下支撑杆与下平台通过螺纹连结，圆球包裹在球盖与球杯之间，球盖与球杯通过第六螺栓和第六螺母连接。
[0010]控制系统包括控制箱，控制箱内的一路导线一端接控制箱、一端接电机，另一路导线一端接控制箱、一端接肌电传感器。
[0011]本发明具有以下有益效果:
(I)本发明采用踝关节肌电信号采集装置获取肌电信号对康复装置的运动进行控制，系统可以根据患者康复需要或者患者的身体感觉，形成不同的运动模式，符合生理学得特征。
[0012](2)本发明上下平台间以球副为支撑与回转中心，极大的减轻了三个驱动支链的负载，可以充分节省驱动能耗。
[0013](3)本发明采用背屈/跖屈、内翻/外翻、内收/外展三个驱动装置，能够完成踝关节三自由度的康复运动，可更好的实现脚部的康复。
【附图说明】
[0014]图1是人体踝关节运动示意图。
[0015]图2是康复装置结构示意图。
[0016]其中:I下平台，2a背屈/跖屈驱动装置，2b内翻/外翻驱动装置，2c内收/外展驱动装置，3上平台，4脚扣组合件，5球副关节，6控制系统。
[0017]图3是踝关节肌电信号采集装置结构示意图。
[0018]其中:701右外壳，702肌电传感器，703调整带，704左外壳，705导线。
[0019]图4是球副关节的结构示意图。
[0020]其中:501上支撑杆，502圆球，503球盖，504第六螺栓，505第六螺母，506第六垫片，507球杯，508下支撑杆。
[0021]图5是背屈/跖屈驱动装置(或者内收/外展驱动装置或者内翻/外翻驱动装置)的结构示意图。
[0022]其中:201上连接座，202上球杯，203第二螺母，204第二螺栓，205上圆球，206上球销，207上球销盖，208第二垫片，209移动箱，210丝杠，211第三螺钉，212第三垫片，213双耳连接件，214第四螺钉，215第四垫片，216电机，217U型连接件，218第五螺栓，219第五螺母，220第五垫片，221下球销盖，222下圆球，223下球销，224下球杯，225下连接座。
[0023]图6是上平台的结构示意图。
[0024]其中:301脚踏板，302第一螺钉，303固定架，304第七螺钉，305柔性可动架。
[0025]图7是内收/外展驱动装置与球副关节结构连接图。
具体实施方案
[0026]如图1?7所示，肌电信号控制的具有球副的三自由度踝关节辅助康复装置，包括上平台3和下平台I，上平台3和下平台I之间设有背屈/跖屈驱动装置2a、内翻/外翻驱动装置2b、内收/外转驱动装置2c和球副关节5，背屈/跖屈驱动装置2a和内翻/外翻驱动装置2b均通过球销副与上平台3和下平台I连接，内收/外转驱动装置2c通过球销副与下平台I的支撑架和球副关节5的中部相连，球副关节5两端分别与上平台3、下平台I相连，下平台3上有一个控制系统6，控制系统6包括一个踝关节肌电信号采集装置，踝关节肌电信号采集装置包含右外壳701、肌电传感器702、调整带703、左外壳704及导线705，右外壳701与左外壳704之间形成绞接，而调整带703—端固连在右外壳701上，一端通过粘连的方式与左外壳704相连，在右外壳701与左外壳704的相对的内侧面安装有肌电传感器702，肌电传感器702的信号用导线705输出。
[0027]背屈/跖屈驱动装置2a、内翻/外翻驱动装置2b和内收/外转驱动装置2c的结构相似，现以背屈/跖屈驱动装置2a为例，背屈/跖屈驱动装置2a包括上连接座201、上球杯202、第二螺母203、第二螺栓204、上圆球205、上球销206、上球销盖207、第二垫片208、移动箱209、丝杠210、第三螺钉211、第三垫片212、双耳连接件213、第四螺钉214、第四垫片215、电机216、U型连接件217、第五螺栓218、第五螺母219、第五垫片220、下球销盖221、下圆球222、下球销223、下球杯224和下连接座225，上连接座201连接在上平台3上，下连接座225连接在下平台I上，U型连接件217的一端为下圆球222，下球销盖221和下球杯224包裹在下圆球222上，下球杯224与下连接座225连接，U型连接件217与下连接座225之间形成球销副连接，电机216依靠端面法兰定位，电机216通过第四螺钉214与双耳连接件213连接，双耳连接件213通过连接第三螺钉211固定在U型连接件217上，电机216输出轴插入丝杠210内孔并形成连接，传递运动，丝杠210与移动箱209组成丝杠螺母副，移动箱209通过球销副与上连接座201连接，丝杠210的旋转驱动着移动箱209做直线运动，上平台3也可带动移动箱209绕丝杠210沿内收/外转驱动装置2c轴向做旋转运动，在球销副的球杯及球销盖上，沿球销运动方向开有长槽，以实现球杯及圆球件的相对运动，但阻止各自绕中心线的转动。
[0028]球副关节装置5和背屈/跖屈驱动装置2a形成的平面与球副关节装置5和内翻/外翻驱动装置2b形成的平面夹角为90°，而内收/外展驱动装置2c呈水平布置，与背屈/跖屈驱动装置2a、内翻/外翻驱动装置2b相互垂直;球副关节装置5上支撑杆501通过螺纹与上平台3连结，下支撑杆508与下平台I通过螺纹连结，圆球502包裹在球盖503与球杯507之间，球盖503与球杯507通过第六螺栓504和第六螺母505连接，圆球502在球盖503与球杯507的包裹下实现三维转动。
[0029]上平台3上安装有脚扣组合件4，脚扣组合件4包括柔性可动架305和固定架303，固定架303通过第一螺钉302连接在脚踏板301上，柔性可动架305的一端通过第七螺钉304连接在脚踏板301上，柔性可动架305的另一端与脚踏板301粘接。
[0030]控制系统6包括控制箱，控制箱内的一路导线一端接控制箱、一端接电机，另一路导线一端接控制箱、一端接肌电传感器。
[0031 ]本发明使用时，康复运动的控制有两种模式，由康复者进行选择。
[0032](I)被动模式:其运动规律已经事先设定，在此模式下，在操作者选择了控制系统6中的不同运动规律后，控制系统6可以协调各驱动电机的运动，完成不同的康复运动规律。
[0033](2)主动模式:在主动控制模式下，系统可以根据患者思维指令或者患者的身体感觉，形成不同的肌电信号，经控制系统转换与计算后，实施对各驱动电机的运动操作，最终形成不同的康复运动模式。具体而言，康复者的人脑思维指令通过神经单元进行传导到踝关节附近，踝关节附近的肌电信号将发生变化，踝关节肌电信号采集装置中的肌电传感器702采集此时踝关节肌电状态信号，当踝关节肌电信号采集装置获取肌电信号，并输入到控制系统6，控制系统6将对所采集到的肌电信号进行转换计算，并控制协调各驱动电机的运动，完成与人脑思维指令相匹配的康复运动规律。
[0034]本发明的工作过程为:当需要使用该装置进行辅助康复运动时，将需要康复的脚关节扣定在上平台3上。如果患者选择控制系统中的被动模式，则不需要启用踝关节肌电信号采集装置。如果患者选择控制系统中的主动模式，则要启用踝关节肌电信号采集装置。此时，将肌电信号采集装置套穿在待康复的脚踝关节的上方。为适应不同脚部大小，可以通过改变调整带703与左外壳704粘连的位置来调节右外壳701与左外壳704之间形成的圆状空间大小。根据所选择的不同的控制模式，控制系统6将给相关电机发出控制指令，启动电机运行。各电机带着丝杠210旋转并带动移动箱209移动，移动箱209通过球销副带动上平台3运动。此时以下平台I为支撑，通过球副关节5，推着上平台3沿所要求的方向偏斜一定的角度，并作往复运动，实现脚部康复所需的运动。
【主权项】
1.肌电信号控制的具有球副的三自由度踝关节辅助康复装置，包括上平台(3)和下平台(I)，其特征在于:上平台(3)和下平台(I)之间设有背屈/跖屈驱动装置(2a)、内翻/外翻驱动装置(2b)、内收/外转驱动装置(2c)和球副关节(5)，背屈/跖屈驱动装置(2a)、内翻/外翻驱动装置(2b)均通过球销副与上平台(3)和下平台(I)连接，内收/外转驱动装置(2c)通过球销副与下平台(I)的支撑架和球副关节(5)的中部相连，球副关节(5)两端分别与上平台(3)、下平台(I)相连，下平台(I)上有控制系统(6)，控制系统(6)包括一个踝关节肌电信号采集装置，踝关节肌电信号采集装置中右外壳(701)与左外壳(704)之间形成绞接，调整带(703)—端固连在右外壳(701)上，一端通过粘连的方式与左外壳(704)相连，在右外壳(701)与左外壳(704)的相对的内侧面安装有肌电传感器(702)，肌电传感器(702)的信号用导线(705)输出。2.根据权利要求1所述的肌电信号控制的具有球副的三自由度踝关节辅助康复装置，其特征在于:所述背屈/跖屈驱动装置(2a)包括上连接座(201)和下连接座(225)，上连接座(201)连接在上平台(3)上，下连接座(225)连接在下平台(I)上，U型连接件(217)的一端为下圆球(222)，下球销盖(221)和下球杯(224)包裹在下圆球(222)上，下球杯(224)与下连接座(225)连接，U型连接件(217)与下连接座(225)之间形成球销副连接，电机(216)通过第四螺钉(214)与双耳连接件(213)连接，双耳连接件(213)通过连接第三螺钉(211)固定在U型连接件(217)上，电机(216)输出轴插入丝杠(210)内孔并形成连接，丝杠(210)与移动箱(209)组成丝杠螺母副，移动箱(209)通过球销副与上连接座(201)连接。3.根据权利要求1所述的肌电信号控制的具有球副的三自由度踝关节辅助康复装置，其特征在于:所述背屈/跖屈驱动装置(2a)和球副关节装置(5)形成的平面与内翻/外翻驱动装置(2b)和球副关节装置(5)形成的平面夹角为90°，内收/外展驱动装置(2c)呈水平布置，与背屈/跖屈驱动装置(2a)、内翻/外翻驱动装置(2b)相互垂直。4.根据权利要求1所述的肌电信号控制的具有球副的三自由度踝关节辅助康复装置，其特征在于:所述球副关节装置(5)的上支撑杆(501)通过螺纹与上平台(3)连结，下支撑杆(508)与下平台(I)通过螺纹连结，圆球(502)包裹在球盖(503)与球杯(507)之间，球盖(503)与球杯(507)通过第六螺栓(504)和第六螺母(505)连接。5.根据权利要求1至4中任一所述的肌电信号控制的具有球副的三自由度踝关节辅助康复装置，其特征在于:控制系统(6)包括控制箱，控制箱内的一路导线一端接控制箱、一端接电机，另一路导线一端接控制箱、一端接肌电传感器。
【文档编号】A61H1/02GK105997439SQ201610591816
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月26日
【发明人】王良文, 王才东, 刘杰, 杜文辽, 王新杰, 宋康康, 罗国富, 孟凡念, 穆亚林
【申请人】郑州轻工业学院