[发明专利]用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置

权利要求书

1.用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于，包括支架、设置于支架上的踏板、电机模块；

所述踏板的一侧通过转轴与支架转动连接，该踏板与转轴固连，转轴与支架转动连接；

所述电机模块用于带动转轴及踏板相对支架转动；

还包括设置于踏板中央的压力传感器，所述压力传感器在使用者将双足踏于踏板时，用于采集足底压力及重力；

还包括控制器及康复数据分析模块，控制器用于对电机进行运动控制，并采集电机运动过程中的多种数据信息，该数据信息包括力矩、角度、速度、位置信息，并传送给康复数据分析模块；康复数据分析模块结合控制器传来的压力传感器信息及控制器采集的数据信息进行进一步分析，以评估患者情况及训练效果，并动态调整治疗方案；电机模块带动转轴运动，以实现根据康复数据分析模块整合信息得出数据制定的康复训练；

控制器内运行控制模块，控制模块包括运动学计算模块、动力学计算模块、工作站通信模块、电机控制接口模块、转矩采集与判断模块、轨迹规划模块、速度采集与判断模块、位置采集与判断模块；

运动学模块计算踏板运动时的角度、位置信息；

动力学计算模块计算踏板运动过程中自身所产生的重力、摩擦、惯性力信息，用于补偿到电机的转矩计算中；

工作站通信模块用于将患者对转轴施加的转矩、踏板运动过程中的速度、踏板运动过程中的位置信息传送到康复数据分析模块；

电机控制接口模块用于连接电机并进行控制；

转矩采集与判断模块用于读取踏板运动过程中的转矩信息，转矩信息可以通过踏板上的压力传感器检测或者通过基于电流的转矩观测器计算，在判断转矩值超过限值时进行安全保护，安全保护采用停止电机动作来实现；

轨迹规划模块用于计算踏板运动的轨迹，采用梯形加减速运动，并输出θ_d、θ_d为轨迹规划模块输出的踏板目标位置，为轨迹规划模块输出的踏板目标速度；

速度采集与判断模块用于读取踏板运动过程中的速度信息，并在判断其值超过限值时进行安全保护；

位置采集与判断模块用于读取踏板运动过程中的位置信息，并在判断其值超过限值时进行安全保护；

控制模块有两种运动模式：主动运动模式和被动运动模式；在被动运动模式下，由轨迹规划模块计算出轨迹位置，并将其输出给电机控制的位置闭环，电机控制闭环经过位置、速度、动力学补偿、电流闭环后驱动直流无刷电机转动，并通过传动装置带动踝关节训练装置的踏板运动，实现被动运动控制；动力学补偿项由拉格朗日法求得；同时，为保证系统安全，对转矩、速度、位置信息采集，并判断其大小，当超过限值时进行安全保护；转矩信息的采集可以通过踏板上的压力传感器检测或者通过基于电流的转矩观测器计算；当采用压力传感器时，通过压力传感器的检测值和安装位置，能够计算患者对康复训练器转轴施加的转矩，该转矩可用于主动运动控制时的转矩反馈；

在主动运动模式下，轨迹规划输出相当于轨迹规划输出直接跟踪反馈速度，且不再使用位置环控制；为踏板的反馈速度；此时系统实际有效输入为由转矩反馈到速度控制的给定，这个给定值是通过实现的，由转矩到速度的反馈实现主动运动时的阻抗控制；为计算出的脚施加在踏板上的外部转矩，可以通过踏板上的压力传感器检测或者通过基于电流的转矩观测器计算；τ_d为给定转矩，通过τ_d可以实现对的阻力和助力作用；当脚施加在踏板上外部转矩时，通过τ_d可以实现阻力和助力的康复运动。

2.根据权利要求1所述的用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于：控制器包含电机驱动模块、处理器模块及通讯模块；电机驱动模块通过UVW三相供电对电机模块进行控制；处理器模块运行控制算法；通讯模块实现与电机模块和康复数据分析模块的通信；康复数据分析模块包括PC机或工作站，康复数据分析模块接收压力传感器和控制器发送过来的数据，并进行分析，以评估训练效果并调整治疗方案。

3.根据权利要求1所述的用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于：所述电机模块包括包含直流无刷电机、编码器、减速器，三者与转轴同轴；所述踏板的一侧通过转轴与支架一侧转动连接。

4.根据权利要求3所述的用于跟腱挛缩及踝关节运动障碍的康复训练装置，其特征在于：直流无刷电机采用24V供电，编码器测量电机的转角用于电机控制，同时也能测量踏板与地面的夹角，进而计算踏板不同角度时自身的重力，更好地补充主动运动时的转矩；减速器安装在电机和转轴之间，降低电机速度，同时放大电机的输出力矩，驱动踏板运动。