一种静态下肢康复辅具测试系统的制作方法

本发明属于康复辅具技术领域，具体来说涉及一种静态下肢康复辅具测试系统。

背景技术：

截止2013年底，我国老年人口已达到2.02亿，约占总人口的15％，其中失能老人有3750万，另外还有8500多万的残疾人；预计2020年，老年人口将达到2.43亿，失能老人将达到4600万，残疾人口将达到9800万，他们中的绝大多数日常生活都需要康复辅具辅助。

目前，在国内外已有的康复辅具的研究：日本筑波大学的hal系列下肢外骨骼、瑞士联邦工业大学和瑞士大学联合研制的lokomat、荷兰的twente大学的生物医学工程研发的下肢动力外骨骼和浙江大学机电所开发研制的可穿戴式下肢步行外骨骼等。这些研究的重点是下肢外骨骼训练机器人的结构设计和控制方面，却忽略了对外骨骼辅助效果的研究。

早期，对康复辅具辅助效果的评价主要是通过理疗师目测受试者的训练过程，并根据自身经验对康复辅具的辅助效果进行评价。但是这种评价方式主观性大、效率低，并且对训练过程中的参数不能精确地控制和记录。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种静态下肢康复辅具测试系统，该静态下肢康复辅具测试系统设置坐姿工作模式，对下肢康复辅具的应用场景进行模拟；测试平台上安装多种传感器，对实际应用过程中的各项数据进行实时采集，可以对康复辅具的不同方面的特性进行评估；同时测试平台从多个角度出发，配备全方位的安全保护措施，确保在使用过程中的舒适性和安全性。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种静态下肢康复辅具测试系统，包括：底座和移动装置，所述移动装置包括：水平设置的水平导轨、竖直设置的竖直导轨和关节固定结构，所述水平导轨的底端固装在所述底座上，所述竖直导轨的底端与所述水平导轨上的滑块固装，所述关节固定结构固装在所述竖直导轨的滑块上，用于安装康复辅具，所述康复辅具为外骨骼关节模块或假肢模块。

在上述技术方案中，还包括：固装在该底座上的座椅，所述竖直导轨位于所述座椅前方的一侧。

在上述技术方案中，所述关节固定结构包括：轴承座、转动支架、安装杆和锁定块，所述轴承座与所述竖直导轨的滑块固装，所述转动支架与所述轴承座轴接且能够在该轴承座上转动，在所述转动支架上安装有所述锁定块，用于将所述转动支架与所述轴承座相对固定；所述安装杆为多个且均安装在所述转动支架上，用于安装所述外骨骼关节模块或假肢模块。

在上述技术方案中，所述转动支架包括：轴和与所述轴一端固装的固定板，所述转动支架通过所述轴的另一端与所述轴承座轴接，所述安装杆固装在所述固定板上。

在上述技术方案中，安装杆位于所述固定板远离所述轴承座的一侧。

在上述技术方案中，所述安装杆的数量为4个，4个所述安装杆沿矩形阵列分布且分别位于一矩形的4个角。

在上述技术方案中，所述锁定块为2个，每个所述锁定块为一凸轮结构。

在上述技术方案中，所述外骨骼关节模块沿圆周方向形成有多个通孔，当所述外骨骼关节模块安装在所述关节固定结构上时，每个安装杆穿过一个所述通孔；

所述假肢模块包括一圆柱体形结构或近似圆柱体形结构，当所述假肢模块安装在所述关节固定结构上时，所述圆柱体形结构或近似圆柱体形结构嵌入至多个安装杆之间并被所述安装杆固定。

在上述技术方案中，所述康复辅具内安装有关节电机，所述静态下肢康复辅具测试系统还包括：工控机，所述工控机控制所述关节电机运动。

在上述技术方案中，还包括：安装在所述康复辅具内的编码器和/或传感器，所述编码器用于获得该康复辅具关节电机旋转的角度、角速度和角加速度，所述传感器用于获得该康复辅具关节电机的转矩，所述工控机获取所述编码器和/或传感器的数据。

在上述技术方案中，在所述工控机控制所述关节电机运动的电路上设置有一继电器，还包括：控制所述继电器的单片机。

在上述技术方案中，所述单片机控制水平导轨和竖直导轨的运动。

在上述技术方案中，在所述康复辅具上安装有一行程开关，用于限定所述关节电机旋转的上限。行程开关与单片机电连接。

在上述技术方案中，还包括：控制所述关节电机旋转的关节驱动器，所述继电器通过所述关节驱动器与所述关节电机电连接，在所述继电器与所述工控机之间的电路上设置有数据交换卡。

在上述技术方案中，在所述数据交换卡与所述工控机之间的电路上设置有一运动控制卡。

在上述技术方案中，所述单片机与所述水平导轨的水平导轨电机电连接，所述单片机与所述竖直导轨的竖直导轨电机电连接。

在上述技术方案中，所述单片机通过水平导轨驱动器控制所述水平导轨电机，所述单片机通过竖直导轨驱动器控制所述竖直导轨电机。

在上述技术方案中，所述工控机通过数据采集卡获取所述编码器和/或传感器的数据。

在上述技术方案中，所述单片机与所述数据采集卡电连接，单片机判断所述编码器和/或传感器的数据是否达到阈值，当达到阈值时单片机控制继电器断开电路。

在上述技术方案中，所述工控机上连接有信号输入端和显示器。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)该静态下肢康复辅具测试系统设计有水平导轨和竖直导轨，通过调整水平导轨和竖直导轨上滑块的位置，可实现对坐姿和站姿状态下不同位置关节(髋、膝、踝)的测试，对下肢康复辅具实际使用场景进行有效模拟，还原康复辅具穿戴者的真实使用场景；

(2)该静态下肢康复辅具测试系统的关节固定结构上设计有成凸轮结构的锁定块，实验时，受试者穿戴外骨骼或假肢模块并调整好舒适度后，可通过锁定块有效地实现对关节固定结构的锁定；

(3)该静态下肢康复辅具测试系统的康复辅具可选择外骨骼关节模块或假肢模块，实现对不同康复辅具的测试，获取对康复辅具的参数需求，也可与康复辅具直接交互，对其辅助效果进行评测；

(4)硬件系统兼顾模块化设计，方便二次开发，为多方向多角度进行下肢康复辅具开发提供方便；

(5)静态下肢康复辅具测试系统设置有行程开关和继电器等安全保护措施，保护受试者的安全。

附图说明

图1为本发明静态下肢康复辅具测试系统的结构示意图；

图2为本发明静态下肢康复辅具测试系统的结构示意图；

图3为转动支架的剖视图(左)和俯视图(右)；

图4为转动支架的立体结构示意图；

图5为外骨骼关节模块的结构示意图；

图6a为假肢模块的正视图；

图6b为假肢模块的后视图；

图7为外骨骼的结构示意图；

图8为本发明静态下肢康复辅具测试系统的电控结构示意图；

图9a为本发明静态下肢康复辅具测试系统的使用状态图(假肢模块)；

图9b为本发明静态下肢康复辅具测试系统的使用状态图(外骨骼关节模块)；

图9c为本发明静态下肢康复辅具测试系统的使用状态图(外骨骼关节模块)；

图9d为本发明静态下肢康复辅具测试系统的使用状态图(外骨骼关节模块)；

图10a为按照方法二获得的采样期望数值和实际数值；

图10b为按照方法一获得的采样期望数值和实际数值。

其中，

1：底座，2：座椅，3：水平导轨，301：水平导轨驱动器，302：水平导轨电机，4：竖直导轨，401：竖直导轨驱动器，402：竖直导轨电机，5：关节固定结构，501：轴承座，502：转动支架，503：安装杆，504：锁定块，6：单片机；7：关节电机，8：外骨骼关节模块，801：减速器，802：固定端支架，803：输出端支架，9：腰部固定支具，10：大腿上部固定支具，11：大腿下部固定支具，12：小腿上部固定支具，13：小腿下部固定支具，14：脚部固定支具，15：大腿杆，16：小腿杆；17：假肢模块，1701：假肢接受腔连接件，1702：小腿管连接件，18：工控机，19：数据采集卡，20：传感器，21：编码器，22：关节驱动器，24：运动控制卡，25：数据交换卡，26：继电器，27：行程开关。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明静态下肢康复辅具测试系统的技术方案。

下述实施例中所涉及仪器的型号如下：

工控机：idel-12

运动控制卡：gt-400-sv-isa-g

数据交换卡：运动控制卡的端子板，与运动控制卡配套，无型号

外骨骼模块(自组装)：关节驱动器：ap2-090、关节电机：grm7613h、编码器：am64/1617、减速器：lcsg-i-25-160、传感器(力矩传感器)：m2210g

数据采集卡：m8128b1sn04375

继电器：jqc-3ff-s-z

单片机：stm32f4

行程开关：xce102

实施例1

如图1～2所示，包括：底座1、移动装置以及固装在该底座1上的座椅2，移动装置包括：水平设置的水平导轨3、竖直设置的竖直导轨4和关节固定结构5，水平导轨3的底端固装在底座1上，竖直导轨4位于座椅2前方的一侧(前方：患者坐在座椅上腿的一侧)，竖直导轨4的底端与水平导轨3的滑块固装，关节固定结构5固装在竖直导轨4的滑块上，用于安装康复辅具，康复辅具为外骨骼关节模块8或假肢模块17。通过调整水平导轨3和竖直导轨4上滑块的滑动距离，从而调节关节固定结构5与座椅2之间的位置，使关节固定结构5在座椅2一侧的平面上移动。

本发明静态下肢康复辅具测试系统的使用方法，包括方法一或方法二：

方法一(用于康复初期)：使患者穿戴上康复辅具，基于一个步态周期的期望数据控制康复辅具带动患者运动，测量这个步态周期内康复辅具的实际数据，将一个步态周期的期望数据与实际数据进行比较。

方法二(用于康复中期或末期)：使患者运动并主动带动康复辅具运动，获得一个步态周期的实际数据并与期望数据进行比较(期望数据为基于健康人获得的数据)。

通过以上方法可对康复辅具的辅助效果作出客观的评价。

使患者穿戴上康复辅具：当康复辅具为外骨骼关节模块时，患者穿上的为外骨骼；当康复辅具为假肢模块时，患者穿上的为假肢。

实施例2

在实施例1的基础上，如图3～4所示，关节固定结构5包括：轴承座501、转动支架502、安装杆503和锁定块504，轴承座501与竖直导轨4的滑块固装，转动支架502与轴承座501轴接且能够在该轴承座501上转动，在转动支架502上安装有锁定块504，用于将转动支架502与轴承座501相对固定；安装杆503为多个且均安装在转动支架502上，用于安装外骨骼关节模块8或假肢模块17。

作为优选，转动支架502包括：轴和与轴一端固装的固定板，转动支架502通过轴的另一端与轴承座501轴接，安装杆503固装在固定板上且位于固定板远离轴承座501的一侧。

作为优选，安装杆503的数量为4个，4个安装杆503沿矩形阵列分布且分别位于一矩形的4个角。安装杆503的分布也可以有其他形式，只要能够安装康复辅具即可。

作为优选，锁定块504为2个，每个锁定块504为一具有曲臂的凸轮结构。锁定块504在转动支架502上可以转动并可以在转动至某一角度时通过螺栓紧固。旋转锁定块504并使锁定块504的凸轮结构压紧轴承座501，通过螺栓紧固并使锁定块504与转动支架502相对固定，进而转动支架502与轴承座501相对固定。进一步解释，轴承座包括：底板以及固定在底板上的圆柱状壳体，圆柱状壳体内部安装两个并排的滚动轴承，转动支架502的轴安装在圆柱状壳体内的滚动轴承内，当锁定块504使转动支架502与轴承座501相对固定时，锁定块504的凸轮结构压紧轴承座501的圆柱状壳体外表面。作为优选，在圆柱状壳体外表面上涂覆有一层聚氨酯涂层，以增大表面摩擦力。

康复辅具内安装有关节电机7，静态下肢康复辅具测试系统还包括：工控机18，工控机18控制关节电机7运动。

在康复辅具内安装有编码器21和传感器20，传感器20可以为力矩传感器或者其他用于测力矩的传感器，编码器21用于获得该康复辅具关节电机7旋转的角度、角速度和角加速度，传感器20用于获得该康复辅具关节电机7的转矩，工控机18获取编码器21和传感器20的数据。

如图5所示，外骨骼关节模块8沿圆周方向形成有多个通孔，当外骨骼关节模块8安装在关节固定结构5上时，每个安装杆503穿过一个通孔。

如图6a和6b所示，假肢模块17包括一圆柱体形结构或近似圆柱体形结构，当假肢模块17安装在关节固定结构5上时，圆柱体形结构或近似圆柱体形结构嵌入至多个安装杆503之间并被安装杆503固定。

作为优选，康复辅具如下：

外骨骼关节模块包括：关节电机7、减速器801、固定端支架802、输出端支架803和传感器20，传感器20为力矩传感器；关节电机7为专用于机器人关节的扁平式直流电机，主体为扁圆柱形，在扁圆柱形的圆形面上形成有输出轴；减速器801选用谐波减速器，主体为扁圆柱形，在输入侧的端面上带有输入轴孔，输出侧为带有安装孔的安装盘，关节电机7的输出轴固定在减速器801的输入轴孔中，关节电机7的外壳和减速器801输入侧端面的外壳固连；固定端支架802为一平板弯折而成，平板的一端向上弯折，另一端向下弯折，向上和向下弯折后的两个面为两个相互平行的安装平面，其中一个安装平面为环形，环形的安装平面与减速器801输出侧端面的外壳固连，且在该环形的安装平面上沿圆周方向形成有多个用于穿过安装杆503的通孔；传感器20为扁圆柱形，其结构分为内圈和外圈，两者之间的传感器可测量两者之间存在的扭矩，内圈和外圈均有环形分布的安装孔，传感器20通过外圈安装孔固定在减速器801输出侧的安装盘上；输出端支架803为薄板状，一端通过安装孔与传感器20内圈相连接，另一端留有安装孔；外骨骼关节模块8在通电工作状态下，关节电机7产生驱动力矩，经减速器801放大，由传感器20传递至输出端支架803，在固定端支架802和输出端支架803之间产生关节驱动力矩，传感器20可对该力矩进行实时测量；编码器21安装在关节电机7输出轴处，可对关节电机7旋转的角度、角速度和角加速度进行实时测量。

外骨骼关节模块8在组装成外骨骼时如图7所示，外骨骼4包括：外骨骼关节模块8、腰部固定支具9、大腿上部固定支具10、大腿下部固定支具11、小腿上部固定支具12、小腿下部固定支具13、脚部固定支具14、大腿杆15和小腿杆16，腰部固定支具9、大腿上部固定支具10、大腿下部固定支具11、小腿上部固定支具12和小腿下部固定支具13与相应身体固定的部分均为圆弧状，分别依次用于固定使用者腰部、大腿上部、大腿下部、小腿上部和小腿下部，脚部固定支具14为平面状，用于固定使用者脚部；大腿杆15和小腿杆16为连接杆；腰部固定支具9上有与外骨骼关节模块8的固定端支架802相对应的安装孔，可使用螺钉固定在一起；大腿上部固定支具10上端有与外骨骼关节模块8的输出端支架803相对应的安装孔，下端有与大腿杆15相对应的安装孔，可使用螺钉固定在一起；大腿下部固定支具11上端有与大腿杆15相对应的安装孔，下端有与外骨骼关节模块8的固定端支架802相对应的安装孔，可使用螺钉固定在一起；小腿上部固定支具12上端有与外骨骼关节模块8的输出端支架803相对应的安装孔，下端有与小腿杆16相对应的安装孔，可使用螺钉固定在一起；小腿下部固定支具13上端有与小腿杆16相对应的安装孔，下端有与外骨骼关节模块8的固定端支架802相对应的安装孔，可使用螺钉固定在一起；脚部固定支具14上有与外骨骼关节模块8的输出端支架803相对应的安装孔，可使用螺钉固定在一起。

如图6a和6b所示，假肢模块5包括：假肢接受腔连接件1701和小腿管连接件1702(本实施例采用阳力康假肢矫形技术有限公司型号：3e80)。假肢接受腔连接件1701上带有安装孔，假肢接受腔可通过螺钉固定在假肢接受腔连接件1701上，用于大腿截肢患者穿戴；小腿管连接件1702上带有安装孔，用于将小腿管固定在小腿管连接件1702上。

在使用时，使患者坐在座椅2上或站立(坐在座椅2上或站立与患者身体上装有外骨骼关节模块的位置有关，当装有外骨骼关节模块处为髋关节时为站立，其余均坐在座椅2上；装有假肢模块5时为坐在座椅2上)，通过单片机控制水平导轨和竖直导轨上滑块的运行距离，调整至患者舒适的状态，使水平导轨和竖直导轨上滑块固定。

本发明静态下肢康复辅具测试系统的使用方法，包括方法一或方法二：

方法一(用于康复初期)：向工控机输入一个步态周期的角度、角速度、角加速度和力矩并控制关节电机转动，关节电机带动患者运动；编码器和传感器测量该关节电机的角度、角速度、角加速度和力矩，并与工控机输入的步态周期的角度、角速度、角加速度和力矩进行对比，可对康复辅具的辅助效果作出客观评价。

方法二(用于康复中期或末期)：患者主动带动关节电机运动，编码器和传感器测量该关节电机的角度、角速度、角加速度和力矩，与一个步态周期的角度、角速度、角加速度和力矩的期望值进行对比。

实施例3

如图8所示，在实施例2的基础上，在工控机18控制关节电机7运动的电路上设置有一继电器26，还包括：控制继电器26的单片机6。继电器用于实验中发生紧急情况时切断电源，起到安全防护作用。

单片机6控制水平导轨3和竖直导轨4的运动。通过控制水平导轨3和竖直导轨4上滑块的位置从而实现移动关节电机的位置。

作为优选，当康复辅具为外骨骼关节模块时，在康复辅具上安装有一行程开关27，用于限定关节电机7旋转的上限。

当康复辅具为外骨骼关节模块时，行程开关27设置在外骨骼关节模块的固定端支架802和输出端支架803之间，并与单片机通过导线连接，当固定端支架802和输出端支架803之间的夹角达到关节安全角度范围边界时，激活行程开关27，行程开关通过单片机断开继电器；限制关节电机7的旋转，保护受试者安全。

作为优选，还包括：控制关节电机7旋转的关节驱动器22，关节电机驱动器用于对关节电机进行驱动，继电器26通过关节驱动器22与关节电机7电连接，在继电器26与工控机18之间的电路上设置有数据交换卡25。

作为优选，在数据交换卡25与工控机18之间的电路上设置有一运动控制卡24，运动控制卡24通过pci总线与工控机18连接。

作为优选，单片机6与水平导轨3的水平导轨电机302电连接，单片机6与竖直导轨4的竖直导轨电机402电连接。

作为优选，单片机6通过水平导轨驱动器301控制水平导轨电机302，单片机6通过竖直导轨驱动器401控制竖直导轨电机402。

作为优选，工控机18通过数据采集卡19获取编码器21和传感器20的数据，数据采集卡通过pci总线与工控机32连接，数据交换卡用于转换数据类型，实现不同接口之间的通讯；数据采集卡19将编码器和传感器20采集的关节角度、角速度、角加速度和关节电机的转矩信息处理并通过pci总线传输至工控机18进行计算，运动控制卡用于编译程序控制关节电机7的转动。传感器和编码器与数据采集卡通过导线连接，传感器和编码器采集的数据通过数据采集卡传输至工控机处理计算。单片机6与数据采集卡19电连接，单片机6判断编码器21和传感器20的数据是否达到阈值，当达到阈值时单片机6控制继电器使断开电路，从而断开关节电机的电源。

作为优选，工控机18上连接有信号输入端和显示器，信号输入端为鼠标、键盘和控制面板。鼠标、键盘通过usb线与工控机18的usb接口连接，使用鼠标和键盘可以编写并修改电控机控制程序；显示器通过vga线与工控机18的vga接口连接，可以实时显示关节电机7的角度、角速度、角加速度和转矩。

在使用时，患者穿戴假肢模块5时的测试状态如图9a所示，患者穿戴外骨骼模块的测试状态如图9b所示(膝盖处装有外骨骼模块)，患者穿戴外骨骼模块的测试状态如图9c所示(脚踝处装有外骨骼模块)，患者穿戴外骨骼模块的测试状态如图9d所示(踝关节处装有外骨骼模块)。

本发明静态下肢康复辅具测试系统的使用方法，包括以下步骤：

为了客观地评价康复辅具的辅助效果，定义均值误差u和均方根误差erms:

式中，n表示康复辅具上编码器和/或传感器的采样点数，mi、ni分别依次为康复辅具采样前的采样期望数值和康复辅具采样时获得的实际数值，采样为获得康复辅具的角度、角速度、角加速度和/或转矩。角度、角速度、角加速度和转矩的均值误差u呈正相关，角度、角速度、角加速度和转矩的均方根误差erms也呈正相关，均值误差u和均方根误差erms的值越大，表明康复辅具的辅助效果越差，相反，均值误差u和均方根误差erms的值越小，表明康复辅具的辅助效果越好(在判断康复辅具的辅助效果时，可以判断角度、角速度、角加速度和转矩中的一种或多种，由于角度、角速度、角加速度和转矩的均值误差u和均方根误差erms呈正相关，因此，判断角度、角速度、角加速度和转矩中的一种和多种的结果几乎相同)。

使患者穿戴康复辅具，按照方法一和方法二分别为康复辅具进行采样，康复辅具为髋关节处的外骨骼关节模块，按照方法一获得的采样期望数值和实际数值如图10b所示，按照方法二获得的采样期望数值和实际数值如图10a所示，通过计算均值误差u和均方根误差erms来评价康复辅具的辅助效果。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。