肌電信號控制的具有球副的三自由度踝關節輔助康復裝置的制造方法
【專利摘要】本發明的目的在于提供肌電信號控制的具有球副的三自由度踝關節輔助康復裝置。本發明包括上平臺和下平臺，上平臺和下平臺之間設有背屈/跖屈驅動裝置、內翻/外翻驅動裝置、內收/外轉驅動裝置和球副關節，背屈/跖屈驅動裝置、內翻/外翻驅動裝置均通過球銷副與上平臺和下平臺連接，內收/外轉驅動裝置通過球銷副與下平臺的支撐架和球副關節的中部相連，球副關節兩端分別與上平臺、下平臺相連，下平臺上有控制系統。本發明具有以下有益效果：（1）本發明根據患者康復需要或者患者的身體感覺，形成不同的運動模式，符合生理學得特征。（2）本發明充分節省驅動能耗。（3）本發明能夠完成踝關節三自由度的康復運動，可更好的實現腳部的康復。
【專利說明】
肌電信號控制的具有球副的三自由度踝關節輔助康復裝置
技術領域
[0001]本發明涉及的是一種人類腳部踝關節康復裝置，具體地說是一種肌電信號控制的具有球副的三自由度踝關節輔助康復裝置。
【背景技術】
[0002]由于踝關節對人體運動的重要性，在康復醫學工程方面，對踝關節裝置的研究也越來越多，目前公開的踝關節裝置被應用到許多機器人中，主要由日本HONDA公司繼P2、P3之后推出的仿人機器人ASIM0，日本索尼公司推出的SDR-4緊湊型仿人機器人，川田工業株式會社(Kawada)和日本產業綜合研究所(AIST)推出的HRP-4仿人機器人，日本東京大學的微型仿人機器人υΤ-μ2，韓國先進科技研究所(KAIST)發表的HUBO機器人以及HSR系列機器人。中國清華大學研制的THBIP-1I，北京理工大學和中科院沈陽自動化所合作研制的仿人機器人BHR-2和BHR-3。這些機器人踝關節裝置通常具有兩個自由度，其具有的前擺和側擺兩個關節，軸線垂直相交(即胡克鉸結構)，這種自由度配置及其驅動方式的踝部結構復雜。美國麻省理工學院的M2雙足機器人能夠實現3D被動動態行走，其踝關節裝置也采用2自由度的胡克鉸機構，由安置在腿部上方的兩個電機通過并聯機構傳動實現運動控制，以減輕腿的擺動慣性。其它如德國墨尼黑技術大學應用力學實驗室研制的仿人機器人Johnnie、波士頓動力學公司研制的液壓驅動類人雙足機器人PETMAN及PETMAN II(Atlas)，哈爾濱工程大學研制的兩足步行機器人HEUBR_1，踝關節裝置都采用了并聯機構驅動方式的2自由度機構。Oh1大學鄭元芳博上研制的雙足步行機器人SD-2具有兩個踝部關節自由度，且兩關節軸線呈現串聯、空間垂直交叉的布置方式，由電機直接裝在轉軸上來驅動。與此類似的，還有中國國防科技大學研制的中國第一臺類人型雙足步行機器人“先行者”，哈爾濱工業大學研制的HIT-1II雙足步行機器人。這種自由度配置及其驅動機構方式簡單，但是電機及其減速裝置增大了腿的擺動慣量，不利于驅動及控制，難以實現快速行走。為模擬人類從足根滾動到腳趾的自然動態行走步態，部分仿人機器人在足部設置一個趾趾自由度，從而使踝足機構自由度達到3個。如日本早稻田大學高西淳夫研制的仿人機器人WABIAN-2R和丹麥Aalborg大學研制的仿人機器人AAU-BOTl，采用直流伺服電機驅動，通過諧波傳動齒輪、同步帶、滑輪等減速。其踝關節裝置為2自由度，且兩個旋轉軸線垂直相交，但腳部加有一個被動轉動的趾關節。日本東京大學H7、德國墨尼黑技術大學L0LA，新加坡南洋理工大學LOCH等仿人雙足步行機器人的踝關節裝置有2個自由度，足趾關節I個主動自由度，可以模擬人的足尖行走功能。綜上所述，受驅動和控制困難所限，現有仿人機器人踝關節裝置機構大多采用相鄰軸線垂直交叉于一點或空間垂直交叉的轉動軸線，驅動大都采用電機+齒輪、滾珠絲杠或連桿機構等剛性傳動方式。
[0003]而人體踝關節損傷或手術之后，如何使踝關節盡快恢復其機能，無疑也是一個重大的課題，國內外很多學者都開始研究踝關節裝置康復機構，隨著機電一體化技術的發展，陸續出現了很多由伺服電機控制的持續被動運動康復器，Salter R.B.等人研制的R機構、RR機構及RR/RRR并聯關節機器人，均能實現踝關節裝置符合康復要求的訓練。美國新澤西大學研制的基于Stewart機構，具有6個自由度的并聯踝關節裝置康復機器人，其運動平臺可以實現3維轉動，同時還會帶動腳掌和小腿進行移動，結合虛擬現實系統，可以使患者模擬進行多種情景下的康復訓練。李丹提出了 4_UP(Pe)S/S生物融合踝關節裝置康復機器人，其機構系統由簡化為球副的人體踝關節裝置和機械本體共同構成，能夠實現以踝關節裝置為轉動中心的康復訓練。而邊輝等人提出的一種2-RRR/UPRR踝關節裝置康復機器人，實現了踝關節裝置中心與康復器運動中心始終一致，更利于踝關節裝置的快速康復，避免二次損傷。王良文提出了一種具有球銷副的踝關節輔助康復裝置，該裝置提供一種兩自由度、但能近似實現三維運動。裝置采用了局部的柔性連結，使得腳部的運動更加協調穩定，可更好的實現腳部的康復。在康復運動過程中踝關節裝置隨機構只有轉動沒有移動，結構簡單，能實現踝關節裝置損傷后恢復機能。
[0004]綜上所述，現有的仿人機器人踝關節裝置機構較復雜且笨重，而現有的踝關節裝置康復機構很多由伺服電機控制進行持續被動運動來實現康復。運動康復過程中，不涉及康復者的主動意識，對踝關節康復過程中的人體生理感受也沒有涉及，如果運動康復模式不合適，輕則影響康復進度，重則導致踝關節二次損傷。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供肌電信號控制的具有球副的三自由度踝關節輔助康復裝置，該裝置具有三自由度、能夠實現三維運動。康復過程中，能夠提取踝關節附近的肌電信號，依據人體的主動意識或者生理感受驅動康復裝置運動或者控制調整康復裝置的運動模式。在患者康復運動過程中踝關節隨機構只有轉動沒有移動，并且結構簡單，能實現踝關節損傷后恢復機能的一種踝關節輔助康復裝置。
[0006]本發明的技術方案是:肌電信號控制的具有球副的三自由度踝關節輔助康復裝置，包括上平臺和下平臺，上平臺和下平臺之間設有背屈/跖屈驅動裝置、內翻/外翻驅動裝置、內收/外轉驅動裝置和球副關節，背屈/跖屈驅動裝置、內翻/外翻驅動裝置均通過球銷副與上平臺和下平臺連接，內收/外轉驅動裝置通過球銷副與下平臺的支撐架和球副關節的中部相連，球副關節兩端分別與上平臺、下平臺相連，下平臺上有控制系統，控制系統包括一個踝關節肌電信號采集裝置，踝關節肌電信號采集裝置中右外殼與左外殼之間形成絞接，調整帶一端固連在右外殼上，一端通過粘連的方式與左外殼相連，在右外殼與左外殼的相對的內側面安裝有肌電傳感器，肌電傳感器的信號用導線輸出。
[0007]背屈/跖屈驅動裝置包括上連接座和下連接座，上連接座連接在上平臺上，下連接座連接在下平臺上，U型連接件的一端為下圓球，下球銷蓋和下球杯包裹在下圓球上，下球杯與下連接座連接，U型連接件與下連接座之間形成球銷副連接，電機通過第四螺釘與雙耳連接件連接，雙耳連接件通過連接第三螺釘固定在U型連接件上，電機輸出軸插入絲杠內孔并形成連接，絲杠與移動箱組成絲杠螺母副，移動箱通過球銷副與上連接座連接。
[0008]背屈/跖屈驅動裝置和球副關節裝置形成的平面與內翻/外翻驅動裝置和球副關節裝置形成的平面夾角為90°，內收/外展驅動裝置呈水平布置，與背屈/跖屈驅動裝置、內翻/外翻驅動裝置相互垂直。
[0009]球副關節裝置的上支撐桿通過螺紋與上平臺連結，下支撐桿與下平臺通過螺紋連結，圓球包裹在球蓋與球杯之間，球蓋與球杯通過第六螺栓和第六螺母連接。
[0010]控制系統包括控制箱，控制箱內的一路導線一端接控制箱、一端接電機，另一路導線一端接控制箱、一端接肌電傳感器。
[0011]本發明具有以下有益效果:
(I)本發明采用踝關節肌電信號采集裝置獲取肌電信號對康復裝置的運動進行控制，系統可以根據患者康復需要或者患者的身體感覺，形成不同的運動模式，符合生理學得特征。
[0012](2)本發明上下平臺間以球副為支撐與回轉中心，極大的減輕了三個驅動支鏈的負載，可以充分節省驅動能耗。
[0013](3)本發明采用背屈/跖屈、內翻/外翻、內收/外展三個驅動裝置，能夠完成踝關節三自由度的康復運動，可更好的實現腳部的康復。
【附圖說明】
[0014]圖1是人體踝關節運動示意圖。
[0015]圖2是康復裝置結構示意圖。
[0016]其中:I下平臺，2a背屈/跖屈驅動裝置，2b內翻/外翻驅動裝置，2c內收/外展驅動裝置，3上平臺，4腳扣組合件，5球副關節，6控制系統。
[0017]圖3是踝關節肌電信號采集裝置結構示意圖。
[0018]其中:701右外殼，702肌電傳感器，703調整帶，704左外殼，705導線。
[0019]圖4是球副關節的結構示意圖。
[0020]其中:501上支撐桿，502圓球，503球蓋，504第六螺栓，505第六螺母，506第六墊片，507球杯，508下支撐桿。
[0021]圖5是背屈/跖屈驅動裝置(或者內收/外展驅動裝置或者內翻/外翻驅動裝置)的結構示意圖。
[0022]其中:201上連接座，202上球杯，203第二螺母，204第二螺栓，205上圓球，206上球銷，207上球銷蓋，208第二墊片，209移動箱，210絲杠，211第三螺釘，212第三墊片，213雙耳連接件，214第四螺釘，215第四墊片，216電機，217U型連接件，218第五螺栓，219第五螺母，220第五墊片，221下球銷蓋，222下圓球，223下球銷，224下球杯，225下連接座。
[0023]圖6是上平臺的結構示意圖。
[0024]其中:301腳踏板，302第一螺釘，303固定架，304第七螺釘，305柔性可動架。
[0025]圖7是內收/外展驅動裝置與球副關節結構連接圖。
具體實施方案
[0026]如圖1?7所示，肌電信號控制的具有球副的三自由度踝關節輔助康復裝置，包括上平臺3和下平臺I，上平臺3和下平臺I之間設有背屈/跖屈驅動裝置2a、內翻/外翻驅動裝置2b、內收/外轉驅動裝置2c和球副關節5，背屈/跖屈驅動裝置2a和內翻/外翻驅動裝置2b均通過球銷副與上平臺3和下平臺I連接，內收/外轉驅動裝置2c通過球銷副與下平臺I的支撐架和球副關節5的中部相連，球副關節5兩端分別與上平臺3、下平臺I相連，下平臺3上有一個控制系統6，控制系統6包括一個踝關節肌電信號采集裝置，踝關節肌電信號采集裝置包含右外殼701、肌電傳感器702、調整帶703、左外殼704及導線705，右外殼701與左外殼704之間形成絞接，而調整帶703—端固連在右外殼701上，一端通過粘連的方式與左外殼704相連，在右外殼701與左外殼704的相對的內側面安裝有肌電傳感器702，肌電傳感器702的信號用導線705輸出。
[0027]背屈/跖屈驅動裝置2a、內翻/外翻驅動裝置2b和內收/外轉驅動裝置2c的結構相似，現以背屈/跖屈驅動裝置2a為例，背屈/跖屈驅動裝置2a包括上連接座201、上球杯202、第二螺母203、第二螺栓204、上圓球205、上球銷206、上球銷蓋207、第二墊片208、移動箱209、絲杠210、第三螺釘211、第三墊片212、雙耳連接件213、第四螺釘214、第四墊片215、電機216、U型連接件217、第五螺栓218、第五螺母219、第五墊片220、下球銷蓋221、下圓球222、下球銷223、下球杯224和下連接座225，上連接座201連接在上平臺3上，下連接座225連接在下平臺I上，U型連接件217的一端為下圓球222，下球銷蓋221和下球杯224包裹在下圓球222上，下球杯224與下連接座225連接，U型連接件217與下連接座225之間形成球銷副連接，電機216依靠端面法蘭定位，電機216通過第四螺釘214與雙耳連接件213連接，雙耳連接件213通過連接第三螺釘211固定在U型連接件217上，電機216輸出軸插入絲杠210內孔并形成連接，傳遞運動，絲杠210與移動箱209組成絲杠螺母副，移動箱209通過球銷副與上連接座201連接，絲杠210的旋轉驅動著移動箱209做直線運動，上平臺3也可帶動移動箱209繞絲杠210沿內收/外轉驅動裝置2c軸向做旋轉運動，在球銷副的球杯及球銷蓋上，沿球銷運動方向開有長槽，以實現球杯及圓球件的相對運動，但阻止各自繞中心線的轉動。
[0028]球副關節裝置5和背屈/跖屈驅動裝置2a形成的平面與球副關節裝置5和內翻/外翻驅動裝置2b形成的平面夾角為90°，而內收/外展驅動裝置2c呈水平布置，與背屈/跖屈驅動裝置2a、內翻/外翻驅動裝置2b相互垂直;球副關節裝置5上支撐桿501通過螺紋與上平臺3連結，下支撐桿508與下平臺I通過螺紋連結，圓球502包裹在球蓋503與球杯507之間，球蓋503與球杯507通過第六螺栓504和第六螺母505連接，圓球502在球蓋503與球杯507的包裹下實現三維轉動。
[0029]上平臺3上安裝有腳扣組合件4，腳扣組合件4包括柔性可動架305和固定架303，固定架303通過第一螺釘302連接在腳踏板301上，柔性可動架305的一端通過第七螺釘304連接在腳踏板301上，柔性可動架305的另一端與腳踏板301粘接。
[0030]控制系統6包括控制箱，控制箱內的一路導線一端接控制箱、一端接電機，另一路導線一端接控制箱、一端接肌電傳感器。
[0031 ]本發明使用時，康復運動的控制有兩種模式，由康復者進行選擇。
[0032](I)被動模式:其運動規律已經事先設定，在此模式下，在操作者選擇了控制系統6中的不同運動規律后，控制系統6可以協調各驅動電機的運動，完成不同的康復運動規律。
[0033](2)主動模式:在主動控制模式下，系統可以根據患者思維指令或者患者的身體感覺，形成不同的肌電信號，經控制系統轉換與計算后，實施對各驅動電機的運動操作，最終形成不同的康復運動模式。具體而言，康復者的人腦思維指令通過神經單元進行傳導到踝關節附近，踝關節附近的肌電信號將發生變化，踝關節肌電信號采集裝置中的肌電傳感器702采集此時踝關節肌電狀態信號，當踝關節肌電信號采集裝置獲取肌電信號，并輸入到控制系統6，控制系統6將對所采集到的肌電信號進行轉換計算，并控制協調各驅動電機的運動，完成與人腦思維指令相匹配的康復運動規律。
[0034]本發明的工作過程為:當需要使用該裝置進行輔助康復運動時，將需要康復的腳關節扣定在上平臺3上。如果患者選擇控制系統中的被動模式，則不需要啟用踝關節肌電信號采集裝置。如果患者選擇控制系統中的主動模式，則要啟用踝關節肌電信號采集裝置。此時，將肌電信號采集裝置套穿在待康復的腳踝關節的上方。為適應不同腳部大小，可以通過改變調整帶703與左外殼704粘連的位置來調節右外殼701與左外殼704之間形成的圓狀空間大小。根據所選擇的不同的控制模式，控制系統6將給相關電機發出控制指令，啟動電機運行。各電機帶著絲杠210旋轉并帶動移動箱209移動，移動箱209通過球銷副帶動上平臺3運動。此時以下平臺I為支撐，通過球副關節5，推著上平臺3沿所要求的方向偏斜一定的角度，并作往復運動，實現腳部康復所需的運動。
【主權項】
1.肌電信號控制的具有球副的三自由度踝關節輔助康復裝置，包括上平臺(3)和下平臺(I)，其特征在于:上平臺(3)和下平臺(I)之間設有背屈/跖屈驅動裝置(2a)、內翻/外翻驅動裝置(2b)、內收/外轉驅動裝置(2c)和球副關節(5)，背屈/跖屈驅動裝置(2a)、內翻/外翻驅動裝置(2b)均通過球銷副與上平臺(3)和下平臺(I)連接，內收/外轉驅動裝置(2c)通過球銷副與下平臺(I)的支撐架和球副關節(5)的中部相連，球副關節(5)兩端分別與上平臺(3)、下平臺(I)相連，下平臺(I)上有控制系統(6)，控制系統(6)包括一個踝關節肌電信號采集裝置，踝關節肌電信號采集裝置中右外殼(701)與左外殼(704)之間形成絞接，調整帶(703)—端固連在右外殼(701)上，一端通過粘連的方式與左外殼(704)相連，在右外殼(701)與左外殼(704)的相對的內側面安裝有肌電傳感器(702)，肌電傳感器(702)的信號用導線(705)輸出。2.根據權利要求1所述的肌電信號控制的具有球副的三自由度踝關節輔助康復裝置，其特征在于:所述背屈/跖屈驅動裝置(2a)包括上連接座(201)和下連接座(225)，上連接座(201)連接在上平臺(3)上，下連接座(225)連接在下平臺(I)上，U型連接件(217)的一端為下圓球(222)，下球銷蓋(221)和下球杯(224)包裹在下圓球(222)上，下球杯(224)與下連接座(225)連接，U型連接件(217)與下連接座(225)之間形成球銷副連接，電機(216)通過第四螺釘(214)與雙耳連接件(213)連接，雙耳連接件(213)通過連接第三螺釘(211)固定在U型連接件(217)上，電機(216)輸出軸插入絲杠(210)內孔并形成連接，絲杠(210)與移動箱(209)組成絲杠螺母副，移動箱(209)通過球銷副與上連接座(201)連接。3.根據權利要求1所述的肌電信號控制的具有球副的三自由度踝關節輔助康復裝置，其特征在于:所述背屈/跖屈驅動裝置(2a)和球副關節裝置(5)形成的平面與內翻/外翻驅動裝置(2b)和球副關節裝置(5)形成的平面夾角為90°，內收/外展驅動裝置(2c)呈水平布置，與背屈/跖屈驅動裝置(2a)、內翻/外翻驅動裝置(2b)相互垂直。4.根據權利要求1所述的肌電信號控制的具有球副的三自由度踝關節輔助康復裝置，其特征在于:所述球副關節裝置(5)的上支撐桿(501)通過螺紋與上平臺(3)連結，下支撐桿(508)與下平臺(I)通過螺紋連結，圓球(502)包裹在球蓋(503)與球杯(507)之間，球蓋(503)與球杯(507)通過第六螺栓(504)和第六螺母(505)連接。5.根據權利要求1至4中任一所述的肌電信號控制的具有球副的三自由度踝關節輔助康復裝置，其特征在于:控制系統(6)包括控制箱，控制箱內的一路導線一端接控制箱、一端接電機，另一路導線一端接控制箱、一端接肌電傳感器。
【文檔編號】A61H1/02GK105997439SQ201610591816
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月26日
【發明人】王良文, 王才東, 劉杰, 杜文遼, 王新杰, 宋康康, 羅國富, 孟凡念, 穆亞林
【申請人】鄭州輕工業學院