專利名稱：下肢步態矯正器控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種下肢步態矯正器控制裝置，屬于康復醫療器械領域。
背景技術：
脊椎損傷、中風等神經系統疾病會導致患者的下肢出現不同程度的運動功能障礙，使其 失去或部分的失去獨立行走能力。康復醫學理論與實踐證明除了早期的手術治療和藥物治
療以外，人工輔助減重平板步行訓練(body weight supported treadmill training, BWSTT) 是提高這類患者下肢肌肉力量，促進其行走功能恢復的有效治療方法。在人工輔助減重平板 步行訓練中，需要兩至三名理療師手工推動患者雙腿在跑步機上進行步行訓練，這將消耗理 療師大量體力，使其難以對患者進行長時間的訓練；另外，訓練過程中理療師引導患者雙腿 行走的步態往往是隨機的、非人體正常的自然步態，這將使患者恢復后的步態不是正常的自 然行走歩態。所以人們試圖把機器人技術引入減重平板步行訓練，由機器人帶動患者的雙腿 進行歩行訓練，這將能有效地減輕理療師的工作強度，同時還使患者得到持續的、有規律的 康復訓練，提卨訓練效率。
上海大學醫療機器人與計算機輔助外科研究小組從減重歩行訓練的實際需要出發，研制 了一種使用伺服電機驅動的4自由度外骨骼型步態矯正器，并于2007年12月6日向中華人 民共和國國家知識產權局申請了《下肢康復自動步態矯正器》的發明專利，專利申請號 200710171696. 4。該步態矯正器可以帶動患者雙腿在跑歩機上進行歩行康復訓練。步態矯正 器基于人體下肢骨骼運動機理設計，由兩條結構相同的機械腿組成，單條機械腿由髖關節、 膝關節、大腿構件、小腿構件、髖關節電動線性驅動器和膝關節電動線性驅動器構成。大腿 構件和矯正器U型架以旋轉軸連接，連接處構成旋轉的髖關節；大腿構件和小腿構件以旋轉 軸連接，連接處構成旋轉的膝關節。在U型架和大腿構件之間安裝了髖關節電動線性驅動器， 用于驅動大腿構件圍繞髖關節轉動；在大腿構件和小腿構件之間安裝了膝關節電動線性驅動 器，用于驅動小腿構件圍繞膝關節轉動。每個關節電動線性驅動器的結構相同，均btl—個伺 服電機和滾珠絲杠組成。通過控制髖關節電動線性驅動器和膝關節電動線性驅動器中的電機 按照某種規律轉動，即可使得矯正器大腿構件和小腿構件分別按照對應的運動規律圍繞髖關 節和膝關節轉動，從而使矯正器的兩條機械腿產生行走運動。在髖關節和膝關節的轉軸上， 安裝有角度傳感器。
從以上分析可知，下肢步態矯正器的控制裝置對于矯正器的正常工作是不可缺少的。針對上述下肢步態矯正器與人體直接接觸，并帶動人體下肢運動的特點，要求下肢步態矯正器 的控制裝置控制精度高，工作穩定、安全可靠，能夠控制矯正器按照目標步態軌跡運動，實 時顯示患者的訓練步態曲線、訓練時間、訓練步行速度，并能夠控制跑步機的運轉速度與矯 正器的行走速度保持一致。現有的一些控制裝置由于沒有相應的傳感器或者沒有相應的數據 接口，很難滿足上述需要。
發明內容
本實用新型的目的在于提供一種下肢步態矯正器控制裝置，它以下肢步態矯正器和跑步 機為控制對象，以預先設定好的關節角度步態軌跡為目標控制軌跡，以控制下肢步態矯正器 按照目標步態軌跡運動，實現矯正器帶動患者雙腿進行自動化的步行康復訓練為最終目的。
為達到上述實用新型的目的，本實用新型采用下述技術方案
一種下肢步態矯正器控制裝置，包括一臺計算機、 一塊數據采集卡、四個關節角度傳感 器和四個關節伺服電機，其特征在于有一塊運動控制卡分別經閃個伺服電機驅動器連接所述 四個關節伺服電機；所述數據采集卡連接所述四個關節角度傳感器；所述運動控制卡和數據 釆集卡連接所述計算機且安裝在該計算機中。所述的計算機完成控制軟件的運行與設置、跑 步機的運轉速度控制、各類訓練信息的屏幕顯示和數據存儲等功能。所述的數據采集卡用于 采集角度傳感器的輸出信號，并將采集到的模擬量信息轉變成數字量信息提供給控制軟件。 所述的控制軟件將矯正器四個關節的轉角軌跡轉換成對應關節電動直線驅動器屮電機軸的轉 動軌跡，并將其發送給運動控制卡，同時接收通過數據采集卡得到的矯正器四個關節的實際 角度信息。所述的運動控制卡將接收到的四組電機軸轉動軌跡信息轉換成電機驅動器所能接 收的數字脈沖指令，并通過四個數字信號輸出端口分別將這四組數字脈沖指令發送給對應的 四個電機驅動器。所述的電機驅動器負責將接收到的數字脈沖指令進行功率放大，進而驅動 對應的伺服電機使其按照指定的運動規律轉動。最終四個伺服電機帶動矯正器的大腿和小腿 圍繞髖關節和膝關節轉動，產生類似人體行走的步態運動。
上述的步態矯正器關節轉角軌跡是指一個步態周期內下肢四個關節的轉動角度隨時間的 變化規律，分別是左腿髖關節轉角軌跡、左腿膝關節轉角軌跡、右腿髖關節轉角軌跡、右 腿膝關節轉角軌跡。
上述計算機還連接一個顯示器和一個鼠標鍵盤。
上述計算機還連接一個跑步機。
本實用新型由于采用了以上技術，使其與現有技術相比具有以下優點和特點
1.本實用新型使用市場上通用的標準化設備、器件，采用模塊化的組合集成結構，使得
4整個裝置結構簡單、成本低廉、可靠性高、兼容性好。
2. 本實用新型使用的控制方法操作簡單，速度快，精度高。
3. 本實用新型可實時檢測、記錄、顯示訓練過程中患者的各類訓練信息，如訓練時間、 步行速度、步態周期以及人體關節轉角曲線等，為康復醫生對患者治療效果的評估提供了數 據與依據。


圖1是本實用新型的控制對象己有技術的下肢步態矯正器和跑步機的結構示意圖。
圖2是本實用新型一個實施例的結構框圖。
圖3是本實用新型控制程序的流程圖。
具體實施方式
本實用新型的一個優選實施例結合附圖說明如下
參見圖l，本下肢步態矯正器控制裝置包括一臺計算機18、 一塊數據采集卡21、四個關 節角度傳感器2、 8、 12、 16和四個關節伺服電機4、 6、 13、 14，其特征在于有一塊運動控 制卡20分別經四個伺服電機驅動器22、 23、 24、 25連接所述四個關節伺服電機4、 6、 13、 14;所述數據采集卡21連接所述四個關節角度傳感器2、 8、 12、 16;所述運動控制卡20和 數據采集卡21連接所述計算機18且安裝在該計算機]8中。
上述計算機18還連接一個顯示器17， 一個鼠標鍵盤19和一個跑步機11。
下面結合控制對象作進一步說明
參見圖1,下肢歩態矯正器控制裝置的控制對象是下肢步態矯正器和跑步機11。矯正器
基于人體下肢骨骼運動機理設計，由兩條結構相同的機械腿構成，單條機械腿的特征是由
髖關節1、膝關節9、大腿構件5、小腿構件10、髖關節電動線性驅動器3和膝關節電動線性 驅動器7構成。大腿構件5和U型架15以旋轉軸連接，連接處構成旋轉的髖關節l;大腿構 件5和小腿構件10以旋轉軸連接，連接處構成旋轉的膝關節9。在U型架15和大腿構件5 之間安裝了由伺服電機4和滾珠絲杠組成的髖關節電動線性驅動器3，用于驅動人腿構件5 圍繞髖關節1轉動；在大腿構件5和小腿構件10之間安裝了由伺服電機6和滾珠絲杠組成的 膝關節電動線性驅動器7，用于驅動小腿構件10圍繞膝關節9轉動。髖關節1的轉軸上安裝 有角度傳感器2，膝關節9的轉軸上安裝有角度傳感器8。
參見圖2，下肢歩態矯正器控制裝置包括一臺計算機18, 塊運動控制卡20， 一塊數據 采集卡21，四個伺服電機驅動器22、 23、 24、 25和四個角度傳感器2、 8、 12、 16，其中計 算機18上接有顯示器17和鼠標鍵盤19。運動控制卡20 (NI PXI-7356)和數據采集卡21 (NIPXI-6251)安裝在計算機18 (NI PXI-8196)的中。運動控制卡20的四個數字信號輸出端口 分別通過數據線與電機驅動器22、 23、 24、 25 (Yaskawa SGDM-01ADA)信號輸入端口相連。 電機驅動器22、 23、 24、 25通過數據線分別與伺服電機4、 6、 13、 14 (Yaskawa SGMAH-01 AAA41)相連。跑步機ll (Horizon Paragon 508)的串行通信接口通過數據線與計算機18的 串行通信接口相連。角度傳感器2、 8、 12、 16 (MAB40A)的輸出端口通過數據線分別與數 據采集卡21的四個模擬輸入端口相連。
參見圖3，本實施例的控制程序運行在下肢歩態矯正器控制裝置上，其工作流程如下
1. 步態周期參數設置在操作開始前，首先需要操作人員通過鍵盤鼠標19設置步行康 復訓練時行走的步態周期。
2. 關節位置初始化在開始步行訓練之前，控制程序首先使矯正器的四個關節分別轉 動到各自預先設定好的初始位置角度，使得矯正器處于一個合適的行走起步姿勢。
3. 啟動矯正器和跑步機在關節位置初始化結束后，等待3秒鐘，之后控制程序將啟
動矯正器上四個伺服電機4、 6、 13、 14和跑步機11的運轉，使矯正器帶動人體雙 腿在跑歩機上開始行走。
4. 矯形器連續工作控制程序按照目標關節角度軌跡和設定的歩態周期，控制矯正器
四個關節連續運轉，產生行走運動。丁.作過程中控制程序會定時檢測關節角度傳感 器信息，并將四個關節的轉動角度信息、訓練時間、歩態周期、歩行速度等信息在
顯示器17上顯不出來。
5. 訓練結束當控制程序接收到"訓練結束"的指令后，首先停止矯正器和跑步機11
的運轉，然后控制矯正器的四個關節分別轉動到零度的位置，即雙腿處于直立狀態 的位置，使得矯正器關節復位，從而完成本次步行訓練。
權利要求1. 一種下肢步態矯正器控制裝置，包括一臺計算機(18)、一塊數據采集卡(21)、四個關節角度傳感器(2、8、12、16)和四個關節伺服電機(4、6、13、14)，其特征在于有一塊運動控制卡(20)分別經四個伺服電機驅動器(22、23、24、25)連接所述四個關節伺服電機(4、6、13、14)；所述數據采集卡(21)連接所述四個關節角度傳感器(2、8、12、16)；所述運動控制卡(20)和數據采集卡(21)連接所述計算機(18)且安裝在該計算機(18)中。
2. 根據權利要求1所述的下肢步態矯正器控制裝置，其特征在于所述計算機(18)連接一 個顯示器(17)和一個鼠標鍵盤(19)。
3. 根據權利要求1或2所述的下肢步態矯正器控制裝置，其特征在于所述計算機(18)還 連接一個跑步機(11)。
專利摘要本實用新型涉及一種下肢步態矯正器控制裝置。包括一臺計算機、一塊運動控制卡，一塊數據采集卡、四個電機驅動器、四個關節角度傳感器和控制軟件，運動控制卡和數據采集卡安裝在計算機中；運動控制卡的四個數字信號輸出端口分別與四個電機驅動器的信號輸入端口相連；四個電機驅動器分別與矯正器上安裝的四個伺服電機相連；四個角度傳感器分別安裝在矯正器的四個關節轉軸上，其信號輸出線分別與數據采集卡的四個模擬信號輸入端口相連。在患者穿戴下肢步態矯正器進行步行訓練時，本控制裝置能夠控制矯正器的四個關節按照目標運動軌跡轉動，帶動患者雙腿在跑步機上行走，同時能夠將四個關節的轉動角度、訓練時間、步態周期、步行速度等信息在顯示器上顯示出來，為康復醫生對患者治療效果的評估提供了數據與依據。
文檔編號A61H1/00GK201267596SQ20082015464
公開日2009年7月8日 申請日期2008年10月30日 優先權日2008年10月30日
發明者馮治國, 震 張, 沈林勇, 王企遠, 章亞男, 錢晉武 申請人:上海大學