一種并聯踝關節康復機器人及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及醫療器械技術領域，具體地說是一種并聯式踝關節康復機器人及其控 制方法。
【背景技術】
[0002] 腳踝關節是人體最大的負重關節之一，很容易因運動不當（如跑跳、行走）、疾病 (如中風、偏癱）、事故（車禍、意外）等原因造成關節和肌肉損傷。腳踝關節具有背屈/跖 屈、內翻/外翻和內收/外展三個運動自由度。傳統的腳踝康復治療主要依賴于治療師一 對一的徒手訓練，難以實現高強度、有針對性和重復性的康復訓練要求。目前，國內外已有 多家科研機構開展了踝關節康復機器人的研發與臨床試驗，并取得了一定的進展。采用機 器人進行踝關節康復訓練，不僅可以將治療師從繁重的訓練任務中解放出來，而且能夠滿 足不同患者對訓練方法的不同要求，故可以解決傳統康復訓練的一些缺陷。此外，在踝關節 康復過程中，康復機器人能否完全模擬人體踝關節的運動規律（背屈/跖屈、內翻/外翻和 內收/外展運動）以及能否適應不同患者進行相應的康復訓練，對于患者踝關節的恢復效 果有著重大的意義。
[0003] 現有的踝關節康復機器人大多采用剛性驅動機構作為驅動器，比如直線馬達或電 機，這種機器人由于驅動器的剛性本質導致其柔順性較差，容易在機器人控制中產生不可 控的作用力，對患者帶來康復不適甚至二次損傷。另外，很多踝關節機器人的旋轉中心（主 運動）與人體腳踝旋轉中心不一致，在訓練過程中下肢其他部位會隨之一起運動，而不僅 僅是踝關節，因此不能保證對踝關節的有效訓練。同時，大多數踝關節康復機器人可調節的 運動范圍很小，僅能實現兩個自由度的運動，不能契合不同患者所需要的訓練姿態及對踝 關節康復的全范圍康復需求。
[0004] 而且，目前的腳踝關節康復機器人多以被動訓練模式為主，患者在機器人的輔助 下進行重復性的被動訓練，不能根據實時交互完成智能主動的訓練，無法提高患者參與訓 練的積極性，因而限制了其所產生的康復效果。例如，中國專利200810052248. 7公開了一 種踝關節康復機器人，其控制部分僅實現了機器人的基本運動控制，未在訓練過程中考慮 患者的主動運動意圖；中國專利201310006399.X公開了一種主動/被動踝關節康復訓練 裝置，僅通過裝置機構特征實現半主動式的訓練，并未對腳踝關節機器人本身的主動控制 策略提供更多信息。臨床康復表明，有患者主動參與的康復訓練將產生更好的康復效果，同 時，當患者不希望主動參與訓練時，還需要通過被動訓練方法提高患者的肌肉活動能力。因 此，研發腳踝關節機器人兼具被動和主動訓練能力的智能控制方法是至關重要的。

【發明內容】

[0005] 本發明要解決的技術問題是提供一種氣動肌肉驅動的踝關節并聯康復機器人及 其智能控制方法，該機器人可調以適應不同患者使用，可覆蓋踝關節三個自由度的運動訓 練，主動和被動訓練相結合，并實現智能轉換，同時具有柔順性好，質量輕便等優點。
[0006] 本發明一方面提供一種并聯踝關節康復機器人，包括底座，所述底座上插裝有支 撐架，該支撐架上活動卡裝有調節機構，該調節機構包括主桿、前臂桿和腿部支撐桿，主桿 前端與前臂桿裝接，腿部支撐桿與主桿安裝連接，前臂桿上裝接有連桿，主桿與支撐架活動 卡裝；還包括調節機構和運動機構，驅動機構前端與調節機構中的連桿裝接，驅動機構末端 與運動機構裝接，運動機構與主桿后端活動卡裝。
[0007] 所述主桿與支撐架間設有角度定位機構，該角度定位機構包括調節手柄、前帶齒 定位片、前固定片、后帶齒定位片、后固定片和緊固螺栓，前固定片卡裝在前帶齒定位片上， 后固定片卡裝在后帶齒定位片上，緊固螺栓從前固定片、前帶齒定位片、后帶齒定位片和后 固定片穿過，調節手柄套裝在緊固螺栓上并鎖緊使前帶齒定位片和后帶齒定位片嚙合安 裝，主桿通過螺釘與前固定片連接，支撐架通過螺釘與后固定片連接，調節手柄的手柄部分 外露在支撐架外。
[0008] 所述前臂桿一端插裝入主桿內并被設在主桿前端上的螺釘旋鈕鎖緊，連桿一端插 裝入前臂桿內并被設在前臂桿上的螺釘旋鈕鎖緊。
[0009] 所述驅動機構包括驅動器、第一套筒、第一十字萬向節聯軸器、第二套筒、拉力傳 感器和第二十字萬向節聯軸器，第一套筒接在氣動肌肉的前端，第一^h字萬向節聯軸器與 第一套筒裝接，第二套筒與氣動肌肉的后端裝接，拉力傳感器一端與第二套筒連接、另一端 與第二十字萬向節聯軸器連接，第一十字萬向節聯軸器通過第一軸承與連桿裝接，第二十 字萬向節聯軸器通過第三軸承與運動機構連接，所述驅動器為氣動肌肉或直線電機或氣 缸。
[0010] 所述第一套筒與氣動肌肉、第一十字萬向節聯軸器以螺紋連接方式裝接，第二套 筒與氣動肌肉、拉力傳感器以螺紋連接方式裝接，拉力傳感器與第二十字萬向節聯軸器以 螺紋連接方式裝接。
[0011] 所述運動機構包括第一運動桿、第二運動桿、第三運動桿、運動平臺、六軸力傳感 器和腳盤，主桿后端設有第二軸承和第二軸承蓋，第一運動桿的端頭卡裝在第二軸承內，第 一運動桿上設有第四軸承和第四軸承蓋，第二運動桿前端卡裝在第四軸承內，第二運動桿 的后端裝設有第五軸承和第五軸承蓋，第三運動桿后端卡裝在第五軸承內，運動平臺和六 軸力傳感器從下往上依次套裝在第三運動桿上，腳盤裝設在第三運動桿的前端，運動平臺 上設有第三軸承和第三軸承蓋，第二十字萬向節聯軸器與第三軸承裝接。
[0012] 所述第二軸承內設有第一旋轉角度傳感器，第四軸承內設有第二旋轉角度傳感 器，第五軸承內設有第三旋轉角度傳感器。
[0013] 所述支撐架上設有限位槽，底座上設有螺釘旋扭，該螺釘旋扭插入支撐架的限位 槽中并鎖緊，使支撐架與底座固定連接。
[0014] 本發明以氣動肌肉或直線電機為驅動器，再配合十字萬向節聯軸器傳遞動力，本 機器人的各機構可調以適應不同患者使用，調整主桿的角度即調整了腿部支撐桿的角度， 確保能夠迎合不同患者的腿所能屈伸的角度，可覆蓋踝關節三個自由度的運動訓練，同時 具有柔順性好，質量輕便等優點；另一方面，加設的調節機構、伸縮式支撐架和運動機構能 有效地擴展和控制本機器人的運動范圍，提高了可控性；再一方面，加設的力傳感器能有效 地監測、處理和反饋患者所受或施加的力/力矩，實現了本機器人的阻抗控制，提高了本機 器人康復訓練效果；最后，加設的旋轉角度傳感器能有效地實時監測和反饋患者的運動角 度，進一步提高了本機器人康復訓練效果。
[0015] 另一方面，本發明還提供了一種并聯踝關節康復機器人的控制方法，包括以下步 驟：
[0016] 初始機器人的運動軌跡規劃；
[0017] 檢測患者腳踝與機器人之間的實際交互作用力/力矩，將該實際交互作用力/力 矩與預設的交互作用力/力矩閾值進行比較；
[0018] 若實際交互作用力/力矩小于預設的交互作用力/力矩閾值，進入被動訓練模式， 保持當前運動軌跡，帶動患者進行被動訓練；
[0019] 若實際交互作用力/力矩大于預設的交互作用力/力矩閾值，進入主動修正訓練 模式，修正當前運動軌跡和運動方向，同時保持機器人當前的運動速度和加速度不變，保證 機器人運動的連續性，實現患者的主動修正訓練；
[0020] 根據上述運動軌跡，對機器人的氣動肌肉進行運動閉環控制，實現對運動軌跡的 精確跟蹤。
[0021] 所述主動修正訓練模式中，若交互作用力與當前運動軌跡同軸，則保持當前運動 軌跡的軸向，修正當前運動軌跡和運動方向；
[0022] 若交互作用力與當前運動軌跡不在同一軸向上，則改變當前運動軌跡軸向，使當 前軸向運動軌跡變換為另一軸向運動軌跡，具體為首先將當前軸向運動逆向至運動軌跡零 點停止，然后在零點位置轉移至另一軸向軌跡運動，完成運動軌跡軸向的變換修正。
[0023] 所述對機器人的氣動肌肉進行運動閉環控制具體包括以下步驟：
[0024] 期望軌跡規劃，確定機器人的運動修正形式，完成期望軌跡規劃；
[0025] 根據軌跡，通過運動學逆解方式計算氣動肌肉的期望長度；
[0026] 建立氣動肌肉控制模型，采用公式F(p,k) = (p+a) ?eb'k+c?p?k+d?p+e建立函 數模型，其中F為氣動肌肉所產生的靜態拉力，P為氣動肌肉的內部氣壓；
[0027] 根據氣動肌肉控制模型，計算氣動肌肉的期望長度所需要的氣壓值，對氣動肌肉 進行充氣/放氣操作，使氣動肌肉中產生相應的氣壓值；
[0028] 獲取機器人的實際運動軌跡，通過運動學逆解方式計算得到氣動肌肉的