一種下肢康復(fù)機(jī)器人足底多維傳感裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于康復(fù)醫(yī)療器械，特別是一種下肢康復(fù)機(jī)器人的足底多維傳感裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]下肢康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)治療技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)物，主要用于恢復(fù)功能性障礙患者的下肢運(yùn)動(dòng)功能。中樞神經(jīng)裝置具有高度的可塑性，這已在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域得到有效闡明和驗(yàn)證，康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)患者重復(fù)訓(xùn)練，可使患者運(yùn)動(dòng)功能的可塑性達(dá)到最優(yōu)，通過(guò)功能性的漸進(jìn)性治療，最終幫助患者重新獲得運(yùn)動(dòng)功能。
[0003]燕山大學(xué)研發(fā)的多關(guān)節(jié)下肢康復(fù)機(jī)器人，具有被動(dòng)訓(xùn)練、輔助訓(xùn)練和抗阻訓(xùn)練三種訓(xùn)練模式，而下肢康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練的功能是通過(guò)識(shí)別患者的運(yùn)動(dòng)意圖，跟隨并輔助人體下肢完成既定軌跡運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。
[0004]獲取患者運(yùn)動(dòng)意圖的技術(shù)中，基于生物電信號(hào)下的運(yùn)動(dòng)意圖的獲取是康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域近幾年研宄的熱點(diǎn)，但這種運(yùn)動(dòng)信號(hào)的獲取方式在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中還處于試驗(yàn)階段，還未真正進(jìn)入“運(yùn)動(dòng)意圖”的實(shí)用化階段。而力控制獲取運(yùn)動(dòng)意圖的技術(shù)比較成熟，基于力控制方法提出一種足底多維傳感裝置，用于獲得患者下肢末端足底力，通過(guò)力平衡方程和力矩平衡方程計(jì)算得到患者下肢各關(guān)節(jié)力矩，進(jìn)而依據(jù)此關(guān)節(jié)力矩，分析得到患者的運(yùn)動(dòng)意圖，并利用PID算法來(lái)控制康復(fù)機(jī)器人各電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度，驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人機(jī)械臂帶動(dòng)患者進(jìn)行單關(guān)節(jié)輔助訓(xùn)練和多關(guān)節(jié)輔助訓(xùn)練。
[0005]國(guó)內(nèi)外研宄足底力傳感裝置的學(xué)者專家比較多，但用于康復(fù)機(jī)器人足底力傳感裝置比較少。目前主要的有哈爾濱工程大學(xué)的張立勛等人，在專利《足底力傳感器》中公開(kāi)一種足底力傳感器，它是由四根貼有應(yīng)變片的懸臂梁組成的傳感器，可實(shí)現(xiàn)除橫向力之外的五維力/力矩測(cè)量，具有成本低，原理誤差小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐用，可靠性高的特點(diǎn)。趙小文等人在《一種炭黑-硅橡膠足底壓力分布測(cè)量裝置》文章中提出的足底壓力分布測(cè)量裝置設(shè)計(jì)了一套成本低、操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、可用于人體足底壓力分布測(cè)量裝置，該裝置是基于炭黑一硅橡膠良好的壓敏特性，可以檢測(cè)各種接觸面的壓力分布和大小，具有類似于皮膚柔韌性的觸覺(jué)傳感器，并且利用LabVIEW可編程軟件，設(shè)計(jì)了人體足底壓力分布測(cè)量裝置，其軟件編程簡(jiǎn)單靈活，人機(jī)交互界面直觀，可移植性強(qiáng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)，該裝置可實(shí)現(xiàn)人體足底壓力分布的實(shí)時(shí)顯示。
[0006]張立勛等人研宄的足底力傳感器是五維力傳感器，而大部分現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人都是研宄人矢狀面內(nèi)的三個(gè)自由度，一個(gè)三維力傳感器裝置就足夠了，降低裝置運(yùn)算量；而趙小文提出的足底力分布測(cè)量裝置依靠分布在足底板不同位置傳感器信號(hào)的變化來(lái)判斷步態(tài)的變化，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)只測(cè)出了垂直于足底板的壓力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、可直接獲取患者多維足底壓力、摩擦力和力矩的下肢康復(fù)機(jī)器人足底多維傳感裝置。本發(fā)明主要基于力控制方法提出一種下肢康復(fù)機(jī)器人足底多維傳感裝置，用于獲得患者下肢末端足底受力情況，通過(guò)力平衡方程和力矩平衡方程計(jì)算得到患者下肢各關(guān)節(jié)力矩?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)而依據(jù)此關(guān)節(jié)力矩?cái)?shù)據(jù)分析得到患者的運(yùn)動(dòng)意圖，并利用PID算法來(lái)控制康復(fù)機(jī)器人各電機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)患者進(jìn)行單關(guān)節(jié)和多關(guān)節(jié)輔助訓(xùn)練。
[0008]本發(fā)明的足底多維傳感裝置主要包括足底支撐板、繃帶、腳后跟擋塊、力矩承壓板、傳感器、傳感器支架、大支撐架、固定架、連接板、中間支撐板、擋板、導(dǎo)軌和滑塊。其中，足底支撐板為一個(gè)矩形框架，在該足底支撐板短邊的一端設(shè)有腳后跟擋塊，前后兩條繃帶分別固定在足底支撐板長(zhǎng)邊前后的邊框上，用于縛住腳面。由兩個(gè)立板和連接板構(gòu)成的大支撐架通過(guò)兩個(gè)立板固定在足底支撐板底面中間橫向兩側(cè)的框架上，兩個(gè)U形第一傳感器支架和第二傳感器支架分別固定在大支撐架兩側(cè)的足底支撐板底面的框架上，第一傳感器固定在第一傳感器支架上，第二傳感器固定在第二傳感器支架上，在足底支撐板的中間設(shè)有力矩承壓板，該力矩承壓板長(zhǎng)邊的兩側(cè)中間分別設(shè)有支耳，銷(xiāo)軸分別穿過(guò)該支耳與大支撐架上的通孔形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，兩個(gè)緊固螺釘分別固定在力矩承壓板上與第一和第二傳感器中心相對(duì)應(yīng)的螺釘孔內(nèi)，這兩個(gè)螺釘與第一和第二傳感器有適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力；u形中間支撐板上設(shè)有兩個(gè)通孔，上述大支撐架的兩個(gè)立板分別穿過(guò)通孔后與連接板連接；第一擋板和第二擋板分別固定在足底支撐板下面的兩側(cè)，第三和第四傳感器分別固定在第三和第四傳感器連接板的外側(cè)，第三和第四傳感器連接板分別固定在上述中間支撐板兩端的豎板外側(cè)，兩個(gè)緊固螺釘分別穿過(guò)第一和第二擋板上與第三和第四傳感器相對(duì)應(yīng)的螺紋孔，這兩個(gè)螺釘與第三和第四傳感器有適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力；在上述中間支撐板兩端的豎板外側(cè)各設(shè)有垂直小導(dǎo)軌，在該垂直小導(dǎo)軌上均設(shè)有小滑塊，大導(dǎo)軌的兩端固定在上述兩個(gè)小導(dǎo)軌的下端，該大導(dǎo)軌上設(shè)有大滑塊，該大滑塊固定在上述大支撐架的連接板下面；第五、第六、第七傳感器分別固定在中間支撐板的底面上，在大支撐架兩個(gè)立板之間設(shè)有固定在力矩承壓板底面的固定架，該固定架上的中心設(shè)有與第七傳感器相對(duì)應(yīng)的螺紋孔，通過(guò)緊固螺釘用于預(yù)緊第七傳感器，當(dāng)足底支撐板相對(duì)于中間支撐板有前后方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，傳感器即可檢測(cè)到患者腳的摩擦力；大導(dǎo)軌上設(shè)有與第五、第六傳感器相對(duì)應(yīng)的螺紋孔，通過(guò)緊固螺釘預(yù)緊剩余第五、第六兩個(gè)傳感器；固定架、大支撐架、連接板、大滑塊通過(guò)螺釘連接成為一體，從而通過(guò)由兩套小導(dǎo)軌滑塊，形成相對(duì)于中間支撐板的上下運(yùn)動(dòng)副。從而患者腳底板施力時(shí)，可以檢測(cè)到垂直于足底板的壓力。
[0009]患者的腳捆綁在足底支撐板上，當(dāng)患者在矢狀面內(nèi)做直線運(yùn)動(dòng)、踏車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)，足底多維傳感裝置通過(guò)七個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)獲取患者腳對(duì)足底板的力矩、摩擦力及垂直壓力。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0011]本發(fā)明主要應(yīng)用于坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，成本低，可直接獲取患者足底壓力，摩擦力和力矩。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明的上部分結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖3是本發(fā)明的力矩承壓板銷(xiāo)軸分別穿過(guò)力矩承壓板長(zhǎng)邊支耳與大支撐架上