一种新型气动人工肌肉驱动踝关节矫正器制造技术

一种新型气动人工肌肉驱动踝关节矫正器，采用一对对抗的人工肌肉作为驱动元件，固定在人的踝足位置，对正常人行走状态下的踝关节步态曲线进行跟踪运动，从而达到运动康复的目的，并且可以在下肢康复医疗机器人的辅助下，摆脱理疗师或医护人员，实现自主康复。与传统的电机驱动的矫正器相比，新型气动人工肌肉驱动踝关节矫正器具有柔顺性好、安全、节能、价格低廉等优点，具有很好的实用价值和市场前景。

A new pneumatic artificial muscle driving ankle joint appliance

A new type of pneumatic artificial muscle driven ankle joint orthodontic device, which uses a pair of antagonistic artificial muscles as the driving element, is fixed in the position of the ankle foot and tracks the gait curve of the ankle joint under the normal person's walking state, thus achieving the purpose of movement rehabilitation, and can be used in the auxiliary medical robot of lower limb. Help to get rid of physiotherapists or medical personnel to achieve self rehabilitation. Compared with the traditional motor driven appliance, the new pneumatic artificial muscle driven ankle joint orthodontic has the advantages of good flexibility, safety, energy saving, low price and so on. It has good practical value and market prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种新型气动人工肌肉驱动踝关节矫正器
本专利技术涉及一种新型气动人工肌肉驱动踝关节矫正器，适用于机械领域。
技术介绍
脑卒中患者由于身体上运动神经元的损害从而导致下肢肌力低下、肌张力增高痉挛、运动控制障碍和深浅感觉障碍等问题。就踝关节而言，患者在步行过程中容易出现足内翻、足下垂、环背曲痉挛、关节不稳定、步幅减小、步度缓慢和步行不对称等异常步行模式。目前神经肌肉促通术即运动疗法是对由于人体神经受损而造成的下肢瘫痪或偏瘫等症状的主要治疗方法。矫形器治疗可提高脑卒中后偏瘫患者对自身姿势的控制能力，改善步行能力，控制轻度痉挛，预防矫正畸形，提高生活自理能力。国内外已经开展了利用机器人技术对跺关节进行矫正的研究。国外已经开发出了各式的踝关节矫正器。美国密歇根大学、新西兰奥克兰大学均已开发出基于气动人工肌肉为平台的踝关节矫正器。国内对踝关节矫正器的研究较国外晚，而且多以电机驱动为主，上海大学机械电子工程系研制了以滚珠丝杠式电动直线电机作为驱动的步态康复用踝关节系统；哈尔滨工程大学机电学院开发了以电机为驱动的踏板型下肢康复机器人，通过控制踏板的俯仰角度来实现对踝关节的锻炼。通过对国内外的研究现状分析发现，国内的踝关节矫正器通常采用电机驱动，但是电机驱动的机械性能刚性大、柔性差，系统急剧变化的冲击力容易对踝关节节造成损伤，而且存在能效较低、价格昂贵、对理疗师依赖程度高等缺点。
技术实现思路
本专利技术提出了一种新型气动人工肌肉驱动踝关节矫正器，采用一对对抗的人工肌肉作为驱动元件，固定在人的踝足位置，对正常人行走状态下的踝关节步态曲线进行跟踪运动，从而达到运动康复的目的，并且可以在下肢康复医疗机器人的辅助下，摆脱理疗师或医护人员，实现自主康复。本专利技术所采用的技术方案是：所述踝关节矫正器分为机械结构、气动回路和控制系统三部分。所述踝关节矫正器的机械装置主要有一对对抗的人工肌肉、关节转轴、支撑杆、横架和脚部组成。所述气动回路主要有气源、气动三联件、流量比例阀、单向节流阀、人工肌肉组成。所述控制系统由PLC以及用来反馈角度信号的电位器组成。所述气动人工肌肉驱动踝关节矫正器设置有三种训练模式，即拉伸模式、反拉伸模式和行走模式。本专利技术的有益效果是：与传统的电机驱动的矫正器相比，新型气动人工肌肉驱动踝关节矫正器具有柔顺性好、安全、节能、价格低廉等优点，具有很好的实用价值和市场前景。附图说明图1是本专利技术的气动人工肌肉驱动踝关节矫正器结构图。图2是本专利技术的控制系统原理图。图中：1.前脚掌牵引带；2、6、8、13连接块；3、5、9、12.人工肌肉固定螺母；4.人工肌肉；7.弧形横架；10.聚乙烯外壳；11.支撑杆；14.踝围；15、18.固定带；16.刚性脚部支撑；17.布带型脚掌；18.气源；19.减压阀；20.流量比例阀；21.踝关节矫正器；22.角度传感器。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1，针对脑卒中患者在行走过程中出现的异常步态，以及在康复训练中对安全性、柔顺性的要求，选用安全、节能、柔顺性好、价格低廉的人工肌肉作为矫正器的驱动设计制作了气动人工肌肉驱动的踝关节矫正器。本机械装置主要有一对对抗的人工肌肉、关节转轴、支撑杆、横架和脚部组成。所使用的人工肌肉为本实验室自己制作，具体参数如下：内径为9mm，长度为31cm，在气压为0.35MPa时，收缩量为8cm，收缩率为25.8%，此时所产生的收缩力为58N。如图2，踝关节矫正器分为机械结构、气动回路和控制系统三部分。机械装置主要有一对对抗的人工肌肉、关节转轴、支撑杆、横架和脚部组成。气动回路主要有气源、气动三联件、流量比例阀、单向节流阀、人工肌肉组成。控制系统由PLC以及用来反馈角度信号的电位器组成。系统的控制策略是以矫正器转动的实际角度和设定角度之间的误差为过程变量的PID控制，其控制过程为：矫正器启动后，PLC的AI模块采集角度传感器检测的矫正器实际角度，并将其转换为数字量信号，规范化后以输入到PID控制程序作为过程变量输入，而设定的目标角度值，则是通过编程输入到PID作为设定值，经过PID调节后，通过PLC的AO模块输出调整指令到流量比例阀，流量比例阀根据调整指令通过调整两根人工肌肉气口的开口大小来调整人工肌肉的进气量，改变内部的压力，实现人工肌肉有规律的收缩和伸长，带动躁关节矫正器围绕关节转轴进行转动，使实际角度与设定角度值，之间的误差减小至最小，从而实现对正常人行走步态曲线的跟踪，达到运动康复的目的。PLC通过MPI电缆和CP5611通讯卡连接到电脑，通过组态来调整曲线的频率，从而调整踝关节矫正器的频率大小，改变患者在训练过程中的步幅和步频。为了能够最大程度的满足患者康复训练的要求，气动人工肌肉驱动踝关节矫正器设置有三种训练模式，即拉伸模式、反拉伸模式和行走模式。拉伸模式的目的主要是针对肠背屈痉挛、关节活动范围减小、肌肉萎缩等问题而设，是以角度幅值为±21.8°的余弦曲线作为设定曲线，使矫正器对其进行跟踪，依靠人工肌肉产生的拉力使踝关节在较大角度范围进行拉伸训练，恢复已经僵化挛缩变形的肌肉，提高肌肉活性，为按正常步态训练打下基础。反拉伸模式的目的主要是针对肌无力、肌肉萎缩、跖屈痉挛等问题而设，是使人工肌肉同时充气，让矫正器处在中位位置，用力蹬使踝关节克服人工肌肉产生的拉力而产生训练效果。行走模式则是以正常人行走步态为设定曲线，使患者仿照正常人的步态行走，逐步克服足下垂、步幅减小、步行不对称等异常步行模式。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型气动人工肌肉驱动踝关节矫正器，其特征是：所述踝关节矫正器分为机械结构、气动回路和控制系统三部分。

【技术特征摘要】
1.一种新型气动人工肌肉驱动踝关节矫正器，其特征是：所述踝关节矫正器分为机械结构、气动回路和控制系统三部分。2.根据权利要求1所述的一种新型气动人工肌肉驱动踝关节矫正器，其特征是：所述踝关节矫正器的机械装置主要有一对对抗的人工肌肉、关节转轴、支撑杆、横架和脚部组成。3.根据权利要求1所述的一种新型气动人工肌肉驱动踝关节矫正器，其特征是：所述气动回...

【专利技术属性】
技术研发人员：张叡，
申请(专利权)人：张叡，
类型：发明
国别省市：辽宁,21