[发明专利]一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复系统及控制方法

权利要求书

1.一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复系统，其特征在于，所述的并联踝关节康复系统包括并联踝关节康复机构（7）、控制座椅（9）和主控制系统；

所述的并联踝关节康复机构（7）包括上平台（5）、下平台（19）、脚托模块（6）、气动肌肉（4）、脚托支撑杆（17）、上支撑杆（3）、下支撑杆（1）、法兰（20）、法兰盘（18）以及虎克铰链（2）；所述的控制座椅（9）包括可调节脚架（8），减压阀组（11），集成阀块组（12）以及座椅机架（10）；

所述的下平台（19）固定安装在控制座椅（9）前部分的机架上，下支撑杆（1）通过法兰（20）固连在下平台（19）的中心处，上支撑杆（3）通过法兰（20）固连在上平台（5）的中心处，上支撑杆（3）与下支撑杆（1）之间再通过虎克铰链（2）进行固连；脚托支撑杆（17）通过法兰（20）固连在上平台（5）的中心处，脚托模块（6）通过轴承与脚托支撑杆（17）过盈配合；脚托模块（6）包括脚托、压力传感器和陀螺仪，脚托与压力传感器固定连接，陀螺仪固结在垂直于脚托转动轴的凹槽内；而下三根气动肌肉（4）通过法兰盘（18）及虎克铰链（2）分别与上平台（5）、下平台（19）相连且沿下支撑杆（1）的主轴方向均匀分布，上两根气动肌肉（4）通过法兰盘（18）及虎克铰链（2）分别与上平台（5）、脚托相连且沿脚托的长轴方向水平对称分布；

集成阀块组（12）固定连接在座椅机架（10）底部的横梁的中间位置处，减压阀组（11）悬挂在座椅机架（10）中部的横梁的中间位置处，可调节脚架（8）通过滑动角件安装在座椅机架（10）的侧边，若干气压传感器安装在控制座椅（9）侧边的横梁上；

所述的集成阀块组（12）包括高速开关阀（15）、光耦隔离继电器驱动模块（13）、阀块组上支架（14）和阀块组底座（16）；所述的光耦隔离继电器驱动模块（13）固连在阀块组上支架（14）上，高速开关阀（15）固定在阀块组底座（16）和阀块组上支架（14）之中，阀块之间通过阀块组底座（16）的梯形结构配合连接；

气压传感器用于实时检测气动肌肉内部的气压值，并将所测得数据传给主控制系统，主控制系统通过判断气动肌肉内部的气压是否达到目标气压，再根据控制策略下发相应的控制指令，从而实现气动肌肉气压的闭环控制；压力传感器用于实时检测脚托与患者脚部之间的接触力值，并将所测得数据传给主控制系统，主控制系统通过判断接触力变化的大小是否超过阈值，再根据相关控制算法下发相应的控制指令，从而实现对外界变化的适应；

所述的气动肌肉（4）包括编织网（23）、乳胶管（26）、通气端头（21）、封闭端头（25）、卡扣（27）以及接头（24）；所述的编织网（23）和乳胶管（26）通过卡扣（27）、接头（24）相配合的楔形结构将编织网（23）和乳胶管（26）与其固定连接，然后再配合通气端头（21）形成可通气的密闭端，配合封闭端头（25）形成封闭端，从而实现气动肌肉气体的储存功能；

主控制系统包括一个主控MCU，所述的主控MCU分别与五个光耦隔离继电器驱动模块（13）连接，五个所述的光耦隔离继电器驱动模块（13）分别与高速开关阀（15）连接，且所述的主控MCU还与五个气压传感器连接，五个所述的气压传感器通过气管与五个气动肌肉（4）连接；所述主控MCU根据采集到五个气压传感器的值，并根据控制策略分别对五个光耦隔离继电器驱动模块（13）发出不同的控制指令，从而实现对并联踝关节康复机构位姿的控制；

控制座椅（9）的可调节脚架（8）能够根据患者小腿的实际长度实现可调节脚架（8）上端面到脚托之间垂直距离的调节，且脚托依据成人年脚部大小的范围设计成半闭合结构；

与上平台（5）和下平台（19）连接的三根气动肌肉（4）沿下支撑杆（1）的主轴方向间隔120°均匀分布；

与脚托模块（6）相连的两根气动肌肉（4）之间夹角为30°，并且沿脚托模块（6）的长轴方向水平对称分布；

由于减压阀输出的气压值会因进气端和出气端两端的压差过大而发生波动，所以减压阀组（11）采用将两个减压阀串联的形式实现压差的逐级递减，从而保证提供给整个系统相对稳定的气压。

2.根据权利要求1所述的一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复系统，其特征在于，所述的座椅机架（10）由铝合金型材构成，形成整个座椅机架的框架。

3.权利要求1或2所述的一种气动肌肉柔性驱动的并联踝关节康复系统的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）通过系统的上位机选择训练模式，包括康复前期训练、康复中期训练和康复后期训练，设置训练过程中转动幅度、频率和训练次数；

2）获取力传感器所测得的数据，确定及修正康复机构期望的运动轨迹；

3）根据康复机构的运动学逆解，求解出各个气动肌肉的期望长度；

4）通过气动肌肉的实验模型，计算出各个气动肌肉所需的气压值，并根据气压传感器对各个气动肌肉进行气压控制；

5）陀螺仪获取脚托模块的实际位姿，由康复机构的运动学逆解，求解出各个气动肌肉的实际长度；

6）对气动肌肉的长度进行闭环控制，将得到的各个气动肌肉的实际长度与期望长度进行比较，进而根据气动肌肉实验模型转为气压的控制指令，从而完成康复机构整体的控制。