CN101518490A - 主动减重步行训练装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种主动减重步行训练装置及方法。本装置包括力传感器、支架、跑步机与减重机构。训练时，患者位于跑步机上，通过吊带连接到钢丝绳上，钢丝绳的一端装有绞盘，可以按照患者身高调节钢丝绳的长度，另一端连在减重机构上，用于提供减重力，减重力的大小可以根据医生的要求给定。在整个训练过程中，由力传感器来检测实际减重力的大小并反馈给虚拟仪器以实现闭环控制，从而保证减重力恒定。本发明的主动减重方法能有效地提高减重步行训练的效果，其操作简单，适于医院、家庭进行康复训练。
Description
技术领域
本发明涉及一种主动减重步行训练装置及方法，主要用于脊髓损伤患者的下肢减重步行训练。
技术背景
随着现代交通工具增加、交通事故的增多、体育运动性损伤的渐增，以及其它一些治伤因素的存在，脊髓损伤患者呈急剧增加的趋势，极大地危害着人类健康。医学理论和实践证明，除了早期手术治疗和药物治疗外，减重步行训练(BWST)已经成为治疗脊髓损伤患者的重要手段。
在减重步行训练中，由于患者无法支撑自己的身体重量，需要通过其它方式来卸载病人的自重，在康复训练过程中，随着患者逐渐康复，所需要的减重力也会逐渐减小，所以能按照患者实际情况来提供相应的减重力，并维持恒定的减重力直接影响到减重步行训练的效果。目前从国内外的研究情况看，虽然步行训练的方式已经从理疗师手动引导患者腿部训练转向使用下肢康复机器人进行自动训练，但是减重方式大多停留在被动减重上，即采用配重块形式来进行减重，这种减重方法，减重量的更改需调整配重块的数量或者大小，需要消耗操作人员很大的体力并且很难实现微小调节，并且由于训练时受到配重块自身惯性的影响，导致其提供的减重力误差较大。
发明内容
本发明的目的在于针对配重块方式被动减重存在的问题和不足，提供一种主动减重步行训练装置及方法，提高减重步行训练的效果。
为达到上述目的，本发明的构思是：本发明提供的主动减重方法是一种基于电机控制的主动减重平台，它能在减重步行训练时为患者卸去部分自身重量。训练时，患者位于跑步机上，通过吊带连接到钢丝绳上，钢丝绳的一端装有绞盘，可以按照患者身高调节钢丝绳的长度，另一端连在减重机构上，用于提供减重力，减重力的大小可以根据医生的要求给定。在整个训练过程中，由力传感器来检测实际减重力的大小并反馈给上位机控制器以实现闭环控制，从而保证减重力恒定。
根据上述的构思，本发明采用如下技术方案：
一种主动减重步行训练装置，包括支架、跑步机与减重机构，其特征在于所述的减重机构安装在支架上；该减重机构的结构是：由电机驱动传动机构做直线运动；所述的传动机构与钢丝绳的一端相连接；所述的钢丝绳的另一端通过定滑轮与动滑轮与绞盘相连接；所述的动滑轮与力传感器相连接；所述的患者穿戴好吊带位于跑步机上；所述的吊带与支撑机构相连接，上方与力传感器相连接。
上述主动减重步行训练装置中，所述的传动机构是：所述的电机安装在电机连接板上，通过联轴器来驱动滚珠丝杠转动；所述的滚珠丝杠两端分别安装在两个轴承座上；所述的滚珠丝杠的两旁有两个平行的导向轴；所述的两个导向轴的两端分别安装在四个导向轴支座上；所述的两个导向轴上均套有直线轴承；所述的两个直线轴承与连接板固接，通过连接板与滚珠丝杠上的丝杠螺母、钢丝绳连接板固接；所述的钢丝绳连接板上有个小孔，用于固定钢丝绳，同时安装着气弹簧；所述的气弹簧另一端与气弹簧支座连接；所述的电机连接板、两个轴承座、四个导向轴支座和弹簧支座固定在一块底板上；所述的底板安装在支架上。
一种主动减重步行训练方法，采用步行训练装置进行康复训练，所述的力传感器输出信号经由变送器与数据采集卡连接；所述的数据采集卡连接到上位机控制器上；所述的电机与电机驱动器连接；所述的电机驱动器与上位机控制器连接；所述的上位机控制器与显示器相互通信，通过键盘向显示器输入指令。
上述主动减重步行训练方法，采用直接转矩控制方式来控制电机。所述的直接转矩控制方式是：将每次训练的给定减重力值输入到上位机控制器，上位机控制器将力信号转换成相对应的模拟电压信号发送给电机驱动器，电机驱动器再将模拟电压信号转换成相对应的转矩信号发送给电机，驱动电机按指定转矩转动；电机通过传动机构作用在钢丝绳上以保持减重力的恒定；而力传感器将实际的减重力反馈给传感器以形成闭环控制回路；
上述主动减重步行训练方法，通过电机驱动丝杠来牵引钢丝绳，为患者卸去自身的重量，使得患者能够在恒定减重力的情况下进行减重步行训练；具体操作步骤如下：
1)患者穿戴好吊带，在跑步机上就位，并将吊带后端连接在支撑机构上，上端连接在力传感器上；
2)手动操作绞盘，通过钢丝绳逐渐将患者吊起，直至双脚处于脱离跑步机皮带的临界状态；
3)通过键盘输入控制参数：训练时间以及减重力大小，
4)训练开始，电机开始运作；力传感器输出实际减重力的大小，将减重力信号传送到数据采集卡，数据采集卡再将信号最终反馈给上位机控制器，上位机控制器通过运算来产生反馈信号来实时调整电机的输出转矩，以保证减重力在一定误差范围内保持恒定；
本发明与现有技术相比较，具有如下实质性特点和显著优点：本发明采用电机驱动形式，能实现主动减重，并可以根据患者实际的康复情况任意调节减重力的大小；通过直接转矩控制并通过力传感器实现闭环控制回路能有效的减小减重力的误差，使得减重力在较小的误差内保持恒定，提高减重步行训练的效果；此外，本发明还可以应用在模拟失重环境下的训练，例如：本发明可以以用在宇航员在地面模拟在月球环境下进行步行训练。
附图说明：
图1是本发明的一个实施例的结构示意图。
图2是传动机构的结构图。
图3是本发明的自动控制系统示意图。
图4是程序框图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
参见图1，本主动减重步行训练装置，包括支架11、跑步机12(乔山PARAGON)与减重机构，其特征在于所述的减重机构安装在支架11上；减重机构的结构是：由电机1(YASKAWASGMJV08A)驱动传动机构2做直线运动；所述的传动机构与钢丝绳3的一端相连接；所述的钢丝绳3的另一端通过定滑轮4与动滑轮6与绞盘5相连接；所述的动滑轮6与力传感器7(天沐NS-WL1)相连接；所述的患者10穿戴好吊带8位于跑步机12上；所述的吊带8与支撑机构9相连接，上方与力传感器7相连接。
参见图2，上述传动机构2是：所述的电机1安装在电机连接板25上，通过联轴器13来驱动滚珠丝杠16转动；所述的滚珠丝杠16两端安装在轴承座20上；所述的滚珠丝杠16的两旁有两个平行的导向轴14；所述的导向轴的两端安装在导向轴支座19上；所述的两个导向轴14上均套有直线轴承23；所述的两个直线轴承23与连接板22固接，通过连接板22与滚珠丝杠16上的丝杠螺母24、钢丝绳连接板15固接；所述的钢丝绳连接板15上有个小孔，用于固定钢丝绳3，同时安装着气弹簧17；所述的气弹簧另一端与气弹簧支座18连接；电机连接板、两个轴承座、四个导向轴支座和弹簧支座固定在一块底板21上；所述的底板21安装在支架11上。
参见图3，本主动减重步行训练方法，采用上述的主动减重步行训练装置进行康复训练，所述的力传感器7输出信号经由变送器27与数据采集卡28(LABVIEW PXI-6251)连接；所述的数据采集卡28连接到上位机控制器29(LABVIEW PXI-1042/PXI-8196)上；所述的电机1与电机驱动器26(YASKAWA SGDV5R5A01A)连接；所述的电机驱动器26与上位机控制器29连接；所述的上位机控制器29与显示器31相互通信，通过键盘30向显示器31输入指令。
参见图4，上述主动减重步行训练方法，采用直接转矩控制方式来控制电机。所述的直接转矩控制方式是：将每次训练的给定减重力值输入到控制器，控制器将力信号转换成相对应的模拟电压信号发送给电机驱动器，电机驱动器再将模拟电压信号转换成相对应的转矩信号发送给电机，驱动电机按指定转矩转动；电机通过传动机构作用在钢丝绳上以保持减重力的恒定；而力传感器将实际的减重力反馈给传感器以形成闭环控制回路；
本减重方法具体操作步骤如下：
1)患者穿戴好吊带，在跑步机上就位，并将吊带后端连接在支撑机构上，上端连接在力传感器上；
2)手动操作绞盘，通过钢丝绳逐渐将患者吊起，直至双脚处于脱离跑步机皮带的临界状态；
3)通过键盘输入控制参数：训练时间以及减重力大小，
4)训练开始，电机开始运作；力传感器输出实际减重力的大小，将减重力信号传送到数据采集卡，数据采集卡再将信号最终反馈给上位机控制器，上位机控制器通过运算来产生反馈信号来实时调整电机的输出转矩，以保证减重力在一定误差范围内保持恒定。
Claims (5)
1.一种主动减重步行训练装置，包括一个支架(11)、一个跑步机(12)和一个减重机构，其特征在于所述的减重机构安装在支架(11)上；该减重机构的结构是：由一个电机(1)驱动一个传动机构(2)做直线运动，所述的传动机构(2)与钢丝绳(3)的一端相连接，所述的钢丝绳(3)的另一端通过定滑轮(4)、动滑轮(6)与绞盘(5)相连接；所述的动滑轮(6)与力传感器(7)相连接；所述的患者(10)穿戴好吊带(8)位于跑步机(12)上；所述的吊带(8)与支撑机构(9)相连接，上方与力传感器(7)相连接。
2.根据权利要求1所述的主动减重步行训练装置，其特征在于所述的传动机构(2)是：所述的电机(1)安装在电机连接板(25)上，通过联轴器(13)来驱动滚珠丝杠(16)转动；所述的滚珠丝杠(16)两端分别安装在两个轴承座(20)上；所述的滚珠丝杠(16)的两旁有两个平行的导向轴(14)；所述的两个导向轴的两端分别安装在四个导向轴支座(19)上；所述的两个导向轴(14)上均套有直线轴承(23)；所述的两个直线轴承(23)与连接板(22)固接，通过连接板(22)与滚珠丝杠(16)上的丝杠螺母(24)、钢丝绳连接板(15)固接；所述的钢丝绳连接板(15)上有个小孔，用于固定钢丝绳(3)，同时安装着气弹簧(17)；所述的气弹簧另一端与气弹簧支座(18)连接；所述的电机连接板(15)、两个轴承座(20)、四个导向轴支座(19)和弹簧支座(18)固定在一块底板(21)上；所述的底板(21)安装在所述的支架(11)上。
3.根据权利要求1所述的主动减重步行训练装置，其特征在于所述的力传感器(7)输出信号经由一个变送器(27)与一个数据采集卡(28)连接；所述的数据采集卡(28)连接到上位机控制器(29)上；所述的电机(1)与电机驱动器(26)连接；所述的电机驱动器(26)与所述的上位机控制器(29)连接；所述的上位机控制器(29)与显示器(31)相互通信，通过键盘(30)向显示器(31)输入指令。
4.一种主动减重步行训练方法，采用根据权利要求3所述的主动减重步行训练装置进行康复训练，其特征在于采用直接转矩控制方式来控制所述的电机(1)；所述的直接转矩控制方式是：将每次训练的给定减重力值输入到所述的上位机控制器(29)，上位机控制器(29)将力信号转换成相对应的模拟电压信号发送给所述的电机驱动器(26)，电机驱动器(26)再将模拟电压信号转换成相对应的转矩信号发送给电机(1)，驱动电机(1)按指定转矩转动；电机(1)通过所述的传动机构(2)作用在所述的钢丝绳(3)上以保持减重力的恒定；而所述的力传感器(7)将实际的减重力反馈给传感器(7)以形成闭环控制回路。
5.根据权利要求4所述的主动减重步行训练方法，其特征在于通过所述的电机(1)驱动丝杠(16)来牵引钢丝绳(3)，为患者(10)卸去自身的重量，使得患者(10)能够在恒定减重力的情况下进行减重步行训练；具体操作步骤如下：
a.患者(10)穿戴好吊带(8)，在跑步机上就位，并将吊带(8)后端连接在支撑机构(9)上，上端连接在力传感器(7)上；
b.手动操作绞盘(5)，通过钢丝绳(3)逐渐将患者(10)吊起，直至双脚处于脱离跑步机(12)皮带的临界状态；
c.通过键盘(30)输入控制参数：训练时间以及减重力大小；
d.训练开始，电机(1)开始运作；力传感器(7)输出实际减重力的大小，将减重力信号传送到数据采集卡(28)，数据采集卡再将信号最终反馈给上位机控制器(20)，上位机控制器(20)通过运算来产生反馈信号来实时调整电机(1)的输出转矩，以保证减重力在一定误差范围内保持恒定。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090902 |