[發明專利]一種新型踝關節康復機器人其控制方法

有效

• 申請號: 201710445971.0
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN107050763B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 魏志麗;葉暉;李福運;胡慶國;李梓明
• 申請（專利權）人: 韶關星火創客科技有限公司
• 主分類號: A63B23/08
• 分類號: A63B23/08;A63B21/02;A63B24/00;A63B71/06
• 代理公司: 韶關市雷門專利事務所(普通合伙) 44226
• 代理人: 周勝明

本發明涉及一種新型踝關節康復機器人，包括電控箱、基座、驅動電機、編碼器、3?RRR球面并聯機構及腳部踏板；3?RRR球面并聯機構位于底部基座及上方腳部踏板之間，3?RRR球面并聯機構具有三條相同的運動支鏈，每條支鏈由三個轉動副和兩個連桿組成，該3?RRR球面機構具有三個純轉動自由度，且各轉動軸線交于一點，該點是3?RRR球面機構的轉動中心O點，每條運動支鏈的各個轉動副軸線也交于O點。具有三轉動自由度，并且工作空間應當滿足踝關節各運動的角度范圍；同時，還滿足踝關節轉動靈活性高、承載能力強的生理特點。

技術領域

本發明屬于康復機器人技術領域，涉及一種新型踝關節康復機器人其控制方法。

背景技術

康復機器人是一類輔助病患或老年人進行日常鍛煉的自動化裝置。近年來，機器人輔助物理治療的研究方興未艾，主要源于康復訓練是一項大量重復性的工作，康復師工作量大且容易疲憊，而這一類型工作正是機器人的強項。踝關節康復機器人便是典型代表。踝關節是人體保持步態平衡和承重的重要關節，具有繞解剖平面三自由度的旋轉運動功能。踝關節扭傷是一種常見的下肢運動損傷，且具有恢復緩慢的特點。利用機器人技術進行踝關節輔助康復訓練，便于康復師制定多種針對性康復訓練方案，同時可以定量化地評估和收集訓練數據，對于損傷患者的快速康復具有重要意義。

針對踝關節輔助康復訓練，國內外很多學者對此進行了研究，并研制成功了多種不同構型、不同控制方法的康復設備。Girone在1999年基于六自由度的Stewart機構研制了Rutgers Ankle”機器人，并利用力反饋技術和虛擬現實技術構建了多種訓練場景，可實現平衡、力量、靈活性訓練。該設備成功利用并聯機構作為踝部康復設備，但是具有多余自由度，帶來控制復雜性。其氣動驅動方式并不適合醫療或家用環境要求的靜音、便攜特點。Liu在2006年利用三自由度并聯機構3RSS/S研制了電機驅動的踝關節康復設備，結構較為緊湊。Saglia2009年研制了兩自由度并聯康復機器人，該設備具有三支鏈，冗余驅動的特點。其關節驅動采用了一種新型的繩驅動將電機轉動轉化為活塞直線運動的裝置。根據踝關節的生理結構，多數學者提出的康復設備均采用三轉動自由度的配置形式。Tsoi提出了一種3-UPS結構的并聯康復設備，并討論了自適應的交互控制方法。李大順將3-RSS機構用于踝關節康復機器人的研制。曾達幸提出了一種PU-CRRU-CRRR機構，具有三自由度并聯解耦的特點。

踝關節術后康復一般分為早期、中期、后期三個階段，病患會循序漸進地恢復關節活動范圍和肌肉力量。在早期階段，康復訓練一般被動活動為主；而在中后期階段，則主動活動為主，被動活動為輔。因此，康復機器人的控制方式分為主動和被動兩種方式，分別控制機器人末端的運動軌跡和輸出力/力矩。Saglia開發的康復設備采用位置控制方式，機器人引導患者踝關節運動套，適應于早期康復訓練。胡進將康復機器人的力控制分為力位混合控制和阻抗控制兩種方法。Ju利用模糊控制器實現了兩自由度康復機器人的力位混合控制。Tsoi則采用阻抗控制方式，施加一定的阻力到患者踝部，從而實現患者的主動訓練。

踝關節康復機器人的工作空間和自由度配置必須與踝關節的結構和運動特性保持一致。通常，踝關節的運動可認為是繞著三個解剖平面（即額狀面、矢狀面、水平面）的法線方向旋轉運動，如圖1所示。其中，繞著矢狀面法線的旋轉稱為背伸/跖屈運動；繞水平面法線的旋轉稱為外伸/內展運動，繞額狀面法線的旋轉稱為內翻/外翻運動。這三個解剖平面是相互正交的，所以踝關節的運動可等價于繞某一轉動中心做球面運動。如表1所示，每種運動的轉動范圍并不相同，但其運動范圍都比較小[9]。

表1 踝關節各運動的角度范圍

發明內容

為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供一種新型踝關節康復機器人其控制方法，它具有三轉動自由度，并且工作空間應當滿足踝關節各運動的角度范圍；同時，還滿足踝關節轉動靈活性高、承載能力強的生理特點。