CN101816609A - 智能肢体康复训练器及训练方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够自动对肢体进行康复训练的智能肢体康复训练器及训练方法，控制器的输出端与驱动器的输入端通过串口连接，驱动器的输出端与电机的电源连接；电机输出轴的另一端与码盘连接，码盘的输出连接控制器，电源电路的输出分别连接控制器和驱动器；可在设定的程序下自动进行主动运动、被动运动和痉挛肌缓解三种训练模式，根据患者的实际情况调节运动参数，帮助患者进行科学有效的最佳训练，使患者的运动机能得到很好的恢复。

Description

智能肢体康复训练器及训练方法
技术领域
本发明涉及一种能够自动对肢体进行康复训练的智能肢体康复训练器。
背景技术
近年来，随着科学技术的迅速发展，尤其是电子科学的发展，康复设备有日趋电子化的倾向，已知的康复设备的结构为：单独主动运动结构和单独被动运动结构，单独主动运动结构均采用纯机械式利用控制转轮摩擦阻力的方式来调整主动训练力的大小，单独被动运动结构采用电动方式通过电机带动肢体进行被动训练。这两种运动结构的缺陷是：运动结构单一，无法根据不同患者的实际情况调节需要的各种运动参数，无法满足不同患者在康复的不同阶段的所有需求，从而无法实现最佳训练。
发明内容
本发明的目的是提供一种满足不同患者在不同康复阶段所需求的智能肢体康复训练器及训练方法。
本发明训练器采用的技术方案是：包括电机的电机输出轴一端连接减速器，减速器以伞齿轮带动转轴旋转，转轴的两端分别连接踏板，控制器的输出端与驱动器的输入端通过串口连接，驱动器的输出端与电机的电源连接；电机输出轴的另一端与码盘连接，码盘的输出连接控制器，电源电路的输出分别连接控制器和驱动器。
本发明训练方法是：具有主动运动、被动运动和痉挛肌缓解三种训练模式；主动运动训练时，电机作为发电机运动状态，由驱动器的电流环电路控制电机实现恒转矩控制，调节电流环电路的电流大小设定阻力大小；被动运动训练时，电机处于电动机状态，由驱动器的H桥电路内部速度环控制电机实现恒转速控制；在被动运动训练中由电机的工作电流的变化判断肢体是否出现痉挛，由驱动器的电流采集电路实现痉挛肌缓解训练。
本发明在设定的程序下自动进行肢体康复训练，根据患者的实际情况调节运动参数，实现最佳训练。临床上可用于脑血管意外后、肢体骨折术后、肩周炎、疤痕挛缩、臂丛神经损伤、钙化性肌腱病变、关节囊韧带过度松弛等多种疾病导致的上肢各关节活动障碍。可在家里或在工作场所使用，使患者获得更强的独立生活能力，并相当大地提高患者的生活质量，这种训练器也可以作为健康老年人的体育运动训练器材，为残疾人康复治疗创造了条件，可以帮助患者进行科学有效的康复训练，使患者的运动机能得到很好的恢复，具有提高患者的康复质量、减轻社会负担的实际意义。
附图说明
图1为本发明的结构连接示意图。
图2为图1中控制器1的原理图。
图3为图1中驱动器2的原理图。
具体实施方式
见图1-3所示，现有的肢体康复训练器包括电机3的电机输出轴4的一端连接减速器6，减速器6通过伞齿轮7带动转轴8旋转，在转轴8的两端分别连接踏板9和踏板10。本发明将控制器1的输出端与驱动器2的输入端通过串口连接，驱动器2的输出端与电机3的电源连接；电机输出轴4的一端与减速器6的输入轴连接，电机输出轴4的另一端与码盘5连接，码盘5的输出连接控制器1。将电源电路11的输出分别连接控制器1和驱动器2。
如图2，控制器1由微处理器1-4以及分别与微处理器1-4连接的时钟电路1-1、电源转电换路1-2、码盘输出接口电路1-3、键盘电路1-5、显示电路1-6和接口电路1-7组成。其中，电源转电换路1-2将电源电路11提供的24VDC电压转换成5VDC电压后接到微处理器1-4的电源端为其提供工作电源；码盘输出接口电路1-3将码盘5输出的脉冲信号送到微处理器1-4的I/O口，可测量电机3的转速；键盘电路1-5和显示电路1-6分别与微处理器1-4的I/O口连接；接口电路1-7与驱动器2的接口电路2-3连接，这样可以实现控制器1同时控制驱动器2和电机3工作，当本发明并列采用两个驱动器2和两个电机3时，控制器1同时控制两个驱动器2和两个电机3工作，可实现智能肢体康复训练器单独作为上肢康复训练，或单独作为下肢康复训练，也可以组合成同时进行上下肢康复训练。
如图3，驱动器2由微处理器2-4以及分别与微处理器2-4连接的电流采集电路2-1、电压采集电路2-2、接口电路2-3、H桥电路2-5、电流环电路2-6和电源转换电路2-7组成；其中，电流采集电路2-1与微处理器2-4的A/D口连接，用于采集电机3的工作电流；电压采集电路2-2与微处理器2-4的A/D口连接，用于采集电机3的工作电压；接口电路2-3与微处理器2-4的串口连接，以实现与控制器1之间传送数据；H桥电路2-5的输入端与微处理器2-4的I/O口连接，H桥电路2-5的输出端与电机3电源连接，用于驱动电机3，使电机3工作在电动机状态以实现肢体被动训练；电流环电路2-6的输入端与微处理器2-4的D/A口连接，电流环电路2-6的输入端与电机3的电源连接，用于吸收电机3产生的电流，使电机3工作在发电机状态以实现肢体主动训练。
电机3采用直流有刷电机，电机3工作可以工作在电动机状态或发电机状态，主动运动训练时，电机3作为发电机运动状态，由驱动器2的电流环电路2-6控制电机3实现恒转矩控制。被动运动训练时，电机3作为电动机运动状态，由驱动器2的H桥电路2-5内部速度环控制电机3实现恒转速控制，由驱动器2的电流采集电路2-1实现痉挛模式训练。当在正常被动训练时，电流采集电路2-1若发现有反向力作用就认为此时肌肉发生痉挛。
码盘5为增量式光电编码器，由光源、光电转盘、光敏元件和光电整形放大电路组成；光电转盘与电机输出轴连接；光源通过光电转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘旋转时，光敏元件便发出与转速成正比的脉冲信号，为了适应可逆控制以及转向的判别，光电编码器输出两路(A相、B相)相隔T/4脉冲周期的正交脉冲，若转盘顺时针转时A相超前B相，则逆时针转/时B相超前A相。
智能肢体康复训练器为患者提供三种训练模式：主动训练模式、被动训练模式和痉挛肌缓解模式，并满足下列技术指标：
1)设定训练时间：根据患者情况设定训练时间，通过控制器1中时钟电路1-1来设定主动运动和被动运动训练时间，范围在2～120分钟。
2)选择运动方向：训练过程中可以随时改变运动方向(向前或向后)，通过电机3正转和反转控制。
3)设定速度：电机3正反转每分钟转速在0～60转/分之间，通过PWM方式控制电机3工作电压的占空比来控制电机3的速度，并与码盘5采集的转速值构成速度环以便精确控制电机3的转速。
4)设定阻力：阻力设定范围在1～20牛顿，主要是在主动运动训练时电机3工作在发电机状态，通过调节速度环电路电流的大小来实现运动阻力的设定。
5)数据显示功能；通过液晶显示运动里程、运动时间、速率和转矩大小。
本发明是将主动运动训练和被动运动训练合在一起，可为患者同时提供主动运动训练、被动运动训练和痉挛肌缓解。利用纯电动的方式实现肢体的主动运动和被动运动训练，并且主动运动和被动运动训练时是利用同一台电机工作在不同状态而实现两种训练模式的，主动运动训练时，电机3处于发电机状态，患者可利用自身具有的肌力克服电流环提供的阻力进行主动训练，患者可调节电流环电流的大小来设定阻力的大小，且训练的速度、力量、已经运动的时间和里程均通过显示屏显示。被动运动训练时，电机3处于电动机状态，通过电机3带动肢体进行被动训练，患者可自行设定运动速度和里程，且系统每隔4分钟自动变换运动方向，患者可根据自身的情况进行设定变换运动方向的时间、运动速度和里程；同时在被动训练中又增加了痉挛训练模式，当在被动训练过程中，由于肢体出现痉挛导致电机产生反作用力，通过检测电机3的工作电流的变化判断肢体是否出现痉挛，出现痉挛时，本发明立即判断并立即终止驱动，5秒钟后电机会以5rpm进行平滑驱动，对于会出现屈肌痉挛的患者，本发明自动改变驱动方向，通过倒转的驱动方向让痉挛的肢体得到伸展，从而减轻或缓解痉挛症状。

Claims (5)

1.一种智能肢体康复训练器，包括电机(3)的电机输出轴(4)一端连接减速器(6)，减速器(6)以伞齿轮(7)带动转轴(8)旋转，转轴(8)的两端分别连接踏板(9、10)，其特征在于：控制器(1)的输出端与驱动器(2)的输入端通过串口连接，驱动器(2)的输出端与电机(3)的电源连接；电机输出轴(4)的另一端与码盘(5)连接，码盘(5)的输出连接控制器(1)，电源电路(11)的输出分别连接控制器(1)和驱动器(2)。
2.如权利要求1所述的智能肢体康复训练器，其特征在于：所述控制器(1)由微处理器(1-4)及分别与其连接的时钟电路(1-1)、电源转电换路(1-2)、码盘输出接口电路(1-3)、键盘电路(1-5)、显示电路(1-6)和接口电路(1-7)组成，其中：
电源转电换路(1-2)，将电源电路(11)提供的24VDC电压转换成5VDC电压后接到微处理器(1-4)的电源端为其提供工作电源；
码盘输出接口电路(1-3)，将码盘(5)输出的脉冲信号输送到微处理器(1-4)的I/O口以测量电机(3)的转速。
3.如权利要求1所述的智能肢体康复训练器，其特征在于：所述驱动器(2)由微处理器(2-4)及与其连接的电流采集电路(2-1)、电压采集电路(2-2)、接口电路(2-3)、H桥电路(2-5)、电流环电路(2-6)和电源转换电路(2-7)组成，其中：
电流采集电路(2-1)采集电机(3)的工作电流；
电压采集电路(2-2)采集电机(3)的工作电压；
接口电路(2-3)与控制器(1)之间传送数据；
H桥电路(2-5)的输出端与电机(3)的电源连接，驱动电机(3)使电机(3)工作在电动机状态；
电流环电路(2-6)的输入端与电机(3)的电源连接，吸收电机(3)产生的电流，使电机(3)工作在发电机状态。
4.一种智能肢体康复训练方法，其特征在于：具有主动运动、被动运动和痉挛肌缓解三种训练模式；主动运动训练时，电机(3)作为发电机运动状态，由驱动器(2)的电流环电路(2-6)控制电机(3)实现恒转矩控制，调节电流环电路(2-6)的电流大小设定阻力大小；被动运动训练时，电机(3)处于电动机状态，由驱动器(2)的H桥电路(2-5)内部速度环控制电机(3)实现恒转速控制；在被动运动训练中由电机(3)的工作电流的变化判断肢体是否出现痉挛，由驱动器(2)的电流采集电路(2-1)实现痉挛肌缓解训练。
5.如权利要求4所述的智能肢体康复训练方法，其特征在于：时钟电路(1-1)设定主动运动和被动运动训练时间为2～120分钟；电机(3)正反转的转速为0～60转/分；设定阻力大小为1～20牛顿。
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