[实用新型]下肢步态矫正器控制装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种下肢步态矫正器控制装置，属于康复医疗器械领域。

背景技术

脊椎损伤、中风等神经系统疾病会导致患者的下肢出现不同程度的运动功能障碍，使其失去或部分的失去独立行走能力。康复医学理论与实践证明：除了早期的手术治疗和药物治疗以外，人工辅助减重平板步行训练(body weight supported treadmill training，BWSTT)是提高这类患者下肢肌肉力量，促进其行走功能恢复的有效治疗方法。在人工辅助减重平板步行训练中，需要两至三名理疗师手工推动患者双腿在跑步机上进行步行训练，这将消耗理疗师大量体力，使其难以对患者进行长时间的训练；另外，训练过程中理疗师引导患者双腿行走的步态往往是随机的、非人体正常的自然步态，这将使患者恢复后的步态不是正常的自然行走步态。所以人们试图把机器人技术引入减重???平板步行训练，由机器人带动患者的双腿进行步行训练，这将能有效地减轻理疗师的工作强度，同时还使患者得到持续的、有规律的康复训练，提高训练效率。

上海大学医疗机器人与计算机辅助外科研究小组从减重步行训练的实际需要出发，研制了一种使用伺服电机驱动的4自由度外骨骼型步态矫正器，并于2007年12月6日向中华人民共和国国家知识产权局申请了《下肢康复自动步态矫正器》的发明专利，专利申请号200710171696.4。该步态矫正器可以带动患者双腿在跑步机上进行步行康复训练。步态矫正器基于人体下肢骨骼运动机理设计，由两条结构相同的机械腿组成，单条机械腿由髋关节、膝关节、大腿构件、小腿构件、髋关节电动线性驱动器和膝关节电动线性驱动器构成。大腿构件和矫正器U型架以旋转轴连接，连接处构成旋转的髋关节；大腿构件和小腿构件以旋转轴连接，连接处构成旋转的膝关节。在U型架和大腿构件之间安装了髋关节电动线性驱动器，用于驱动大腿构件围绕髋关节转动；在大腿构件和小腿构件之间安装了膝关节电动线性驱动器，用于驱动小腿构件围绕膝关节转动。每个关节电动线性驱动器的结构相同，均由一个伺服电机和滚珠丝杠组成。通过控制髋关节电动线性驱动器和膝关节电动线性驱动器中的电机按照某种规律转动，即可使得矫正器大腿构件和小腿构件分别按照对应的运动规律围绕髋关节和膝关节转动，从而使矫正器的两条机械腿产生行走运动。在髋关节和膝关节的转轴上，安装有角度传感器。

从以上分析可知，下肢步态矫正器的控制装置对于矫正器的正常工作是不可缺少的。针对上述下肢步态矫正器与人体直接接触，并带动人体下肢运动的特点，要求下肢步态矫正器的控制装置控制精度高，工作稳定、安全可靠，能够控制矫正器按照目标步态轨迹运动，实时显示患者的训练步态曲线、训练时间、训练步行速度，并能够控制跑步机的运转速度与矫正器的行走速度保持一致。现有的一些控制装置由于没有相应的传感器或者没有相应的数据接口，很难满足上述需要。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种下肢步态矫正器控制装置，它以下肢步态矫正器和跑步机为控制对象，以预先设定好的关节角度步态轨迹为目标控制轨迹，以控制下肢步态矫正器按照目标步态轨迹运动，实现矫正器带动患者双腿进行自动化的步行康复训练为最终目的。

为达到上述实用新型的目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种下肢步态矫正器控制装置，包括一台计算机、一块数据采集卡、四个关节角度传感器和四个关节伺服电机，其特征在于有一块运动控制卡分别经四个伺服电机驱动器连接所述四个关节伺服电机；所述数据采集卡连接所述四个关节角度传感器；所述运动控制卡和数据采集卡连接所述计算机且安装在该计算机中。所述的计算机完成控制软件的运行与设置、跑步机的运转速度控制、各类训练信息的屏幕显示和数据存储等功能。所述的数据采集卡用于采集角度传感器的输出信号，并将采集到的模拟量信息转变成数字量信息提供给控制软件。所述的控制软件将矫正器四个关节的转角轨迹转换成对应关节电动直线驱动器中电机轴的转动轨迹，并将其发送给运动控制卡，同时接收通过数据采集卡得到的矫正器四个关节的实际角度信息。所述的运动控制卡将接收到的四组电机轴转动轨迹信息转换成电机驱动器所能接收的数字脉冲指令，并通过四个数字信号输出端口分别将这四组数字脉冲指令发送给对应的四个电机驱动器。所述的电机驱动器负责将接收到的数字脉冲指令进行功率放大，进而驱动对应的伺服电机使其按照指定的运动规律转动。最终四个伺服电机带动矫正器的大腿和小腿围绕髋关节和膝关节转动，产生类似人体行走的步态运动。