CN102334999B - 多功能无线通讯肌力测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能无线通讯肌力测试系统，它包括座架、探头定位机构、肌力测试探头和上位机肌力评估装置；探头定位机构活动安装在座架的一侧并可沿座架滑动，肌力测试探头安装在探头定位机构上，通过调节探头定位机构可实现肌力测试探头空间方位的三维调节；在肌力测试探头中设有蓝牙发送模块，在上位机肌力评估装置中设有蓝牙接收模块，肌力测试探头与上位机肌力评估装置之间通过蓝牙协议实现数据的无线通讯。本发明集成了高度、角度、长度和位置调节功能，通过与上位机肌力评估装置的无线通讯实现人体肌力的测量与评估，可实现人体13个部位的内外侧共计130个测量点的肌力测量。

Description

多功能无线通讯肌力测试系统

技术领域

本发明涉及一种康复医疗器械，尤其涉及一种多功能无线通讯肌力测试系统。

背景技术

肌力测量是对运动器官功能检查的基本内容之一，用以评定神经和肌肉系统功能损伤的范围和程度，应用于各种运动创伤的运动员和患者肌肉功能评定和康复治疗，为运动员的运动能力和运动员出现的多种运动系统伤病情况提供客观的评价指标。肌力测定对于增强运动员的肌肉力量、提高运动成绩，以及运动刨伤后的肌肉功能的康复，是一种较为理想的训练方法。通过肌力测量可获得较为准确的肌肉功能评价的定量指标，同时通过力矩曲线的分析，有助于判断肌肉关节病变的可能部位，对设计合理的、有针对性的康复训练方案有指导意义，所以肌力测量在体育运动、运动医学和康复医学领域中得到了良好的发展和应用。

肌力测量又分为等长肌力、等速肌力测量，等长肌力是在肌肉收缩时肌肉长度保持不变、肌张力增加、关节角度不发生变化时的肌力，此时肌肉收缩力与阻力相等。等长肌力训练是早期康复，特别是骨科术后的早期康复重要的手段。等速肌力测量在运动员肌肉力量和耐力评价、运动系统伤病中、预防运动刨伤中、提高运动员肌力的作用等上面有着广泛的应用，特别适用于康复治疗的初期阶段以及在负重运动感到困难时训练。

目前，市场上的肌力测量技术在理论和实践方面还不够成熟，从国内外研究的文献报道看，研究最多的是膝关节以及腰背部的各种伤病，等速仪器的设计还不能完全适合于运动员的功能评价。经常见到的测力计等测力装置其结构一般为机械式或电阻应变测力装置，用于运动员的某些肌群在精力条件下的最大力量和力量耐力的一般性测量，但是测量指标单一，不能测量多关节运动时的肌群力量，且在动力性状态下所测的关节角度范围较小。而现有的大多数等动(等速运动)肌力测量系统在于除静力测量外，运动员是在等速状态下进行测量，也就是说不管何种速度，受测肌群均是以恒定的速度进行最大收缩。而除游泳、赛艇等项目外，绝大部分项目的运动员在专项运动中的肌肉收缩速度是变化的。此外，许多项目的运动员是以拉长-缩短周期(超等长收缩)的肌肉收缩形式来完成专项动作的，因此无法测量出大部分项目运动员的实际F-t曲线，难以对大部分项目运动员的起动力量、爆发力量、快速力量、反应力量等进行符合实际的测定。不能对参与动作的几个主要肌群进行分离测量(单肌群)。如何开发更便利、更实用、价格较低的等速仪器，推广于体育运动场和临床实践中，以尽可能地提高运动员的运动能力和加快伤后的康复成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种多功能无线通讯肌力测试系统。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种多功能无线通讯肌力测试系统，包括座架、探头定位机构、肌力测试探头和上位机肌力评估装置；探头定位机构活动安装在座架的一侧并可沿座架滑动，肌力测试探头安装在探头定位机构上，通过调节探头定位机构可实现肌力测试探头空间方位的三维调节；在肌力测试探头中设有蓝牙发送模块，在上位机肌力评估装置中设有蓝牙接收模块，肌力测试探头与上位机肌力评估装置之间通过蓝牙协议实现数据的无线通讯。

所述的座架包括一个高度可调的矩形框架，矩形框架内设有座椅，该座椅包括一个高度可调的椅座和一个与椅座相连并且俯仰角度可调的靠背。

所述的矩形框架包括底座、连接在底座四角的四根高度可调的立柱、连接在立柱上端的两根纵梁和连接在两根纵梁之间的横梁组件；所述的探头定位机构活动安装在其中的一根纵梁上并可沿该纵梁滑动；所述的座椅安装在底座上。

所述的探头定位机构包括固定连接件、角度定位盘、转臂、角度定位销、伸出臂和探头座；固定连接件与矩形框架的一根纵梁滑动相连并可通过一个定位旋钮固定；角度定位盘固定在固定连接件上，在角度定位盘的同一个圆周上设有多个角度定位孔；转臂通过转轴与角度定位盘相连并可绕转轴转动，角度定位销设置在转臂的相应位置，该角度定位销可插入角度定位盘的任意一个角度定位孔内实现转臂的角度变化；伸出臂与转臂滑动相连；探头座与伸出臂活动相连；所述的肌力测试探头安装在探头座上。

所述的转臂上设有滑轨，所述的伸出臂嵌装在该滑轨上可沿该滑轨移动。

所述的肌力测试探头包括电池、电源管理模块、肌力测试传感器、信号调理模块、微处理器和蓝牙发送模块，电源管理模块将电池电压转换为各用电元件所需的电压等级并输出到各用电元件，肌力测试传感器的输出端连接信号调理模块的输入端，信号调理模块的输出端连接微处理器的输入端，微处理器的输出端连接蓝牙发送模块的输入端。

所述的四根高度可调的立柱各包括基座、第一步进电机、第一丝杆和升降杆，第一步进电机安装在基座内，第一丝杆的下端与第一步进电机传动相连，第一丝杆的上部与升降杆传动相连可带动升降杆上升或下降，在升降杆的上端设有用于安装纵梁的开口槽；所述的高度可调的椅座包括升降台基座、第二步进电机、第二丝杆、升降台、座架和座椅面，升降台基座安装在矩形框架的底座上，第二步进电机安装在升降台基座内，第二丝杆的下端与第二步进电机传动相连，第二丝杆的上部与升降台传动相连可带动升降台上升或下降，座架连接在升降台的上端，座椅面连接在座架的上端；靠背角度调节机构中的调节盘安装在座架上。

所述的横梁组件包括横梁、支撑梁和两个支撑螺栓，横梁的两端通过两滑动连接头分别与两根纵梁滑动相连；支撑梁的两端通过两支撑头分别与两根立柱的升降杆嵌套相连，支撑梁的中部通过两个支撑螺栓与横梁抵触相连。

所述的座架还包括一个靠背角度调节机构，该靠背角度调节机构包括调节盘、踩板座、踩板、两根连接线、两个销钉和两个弹簧；调节盘共两个对称固定在座椅的椅座上，调节盘上设有多个调节定位孔；踩板座放置在地面上，或者安装在矩形框架的底座上，或者安装在座椅的靠背上；踩板安装在踩板座上，并与两根连接线分别相连；两个销钉分别连接在两根连接线的端部；两个弹簧分别套装在两根连接线上并位于销钉内侧；所述的靠背后部设有靠背架，该靠背架的下部活动连接在两个调节盘之间，靠背架的下部设有用于插入两个销钉的两个销钉孔；两个销钉分别从内往外插入两个销钉孔内；踩下踩板可使两个销钉脱离调节盘而实现靠背的俯仰角度可调。

所述的信号调理模块由前置差分放大电路、滤波电路、模数转换电路顺序连接组成，前置差分放大电路的输入端连接肌力测试传感器的输出端，模数转换电路的输出端连接微处理器的输入端。

本发明的多功能无线通讯肌力测试系统在使用时，被测量者坐在高度可调的椅座上，背部依靠靠背，活动关节放置在探头定位机构的转动中心并让肌力测量部位与肌力测试探头接触，从而实现任意角度的肢体、任意长度的肌肉的肌力功能测量与评定。以便更进一步深入了解运动员各有关肌群的实际训练水平、潜力、不足，从而确定某一时期的训练重点，进行针对性力量训练。本发明集成了高度、角度、长度和位置调节功能，通过与上位机肌力评估装置的无线通讯实现人体肌力的测量与评估，可实现人体13个部位的内外侧共计130个测量点的肌力测量。

附图说明

图1是本发明多功能无线通讯肌力测试系统的正视结构示意图；

图2是本发明多功能无线通讯肌力测试系统的俯视结构示意图；

图3是本发明多功能无线通讯肌力测试系统的立体结构示意图；

图4是本发明中的立柱的立体结构示意图；

图5是本发明中的纵梁的立体结构示意图；

图6是本发明中的横梁组件的分解结构示意图；

图7是本发明中的探头定位机构的立体结构示意；

图8是本发明中的探头定位机构的分解结构示意图；

图9是本发明中的椅座的立体结构示意图；

图10是本发明中的椅座的靠背的立体结构示意图；

图11是本发明中的靠背角度调节机构的立体结构示意图；

图12是本发明中的肌力测试探头和上位机肌力评估装置的无线通讯联系框图；

图13是本发明中的肌力测试探头的结构示意图；

图14是本发明中运用的前置差分放大电路图。

具体实施方式

参见图1、配合参见图2、图3，本发明的多功能无线通讯肌力测试系统，包括座架1、探头定位机构2、肌力测试探头3和上位机肌力评估装置4。探头定位机构2活动安装在座架1的一侧并可沿座架滑动，肌力测试探头3安装在探头定位机构2上，通过调节探头定位机构2可实现肌力测试探头空间方位的三维调节。在肌力测试探头3中设有蓝牙发送模块36，在上位机肌力评估装置中设有蓝牙接收模块，肌力测试探头3与上位机肌力评估装置4之间通过蓝牙协议实现数据的无线通讯(配合参见图12)。

配合参见图3，本发明中的座架1包括一个高度可调的矩形框架11，矩形框架11内设有座椅12，该座椅12包括一个高度可调的椅座121和一个与椅座相连并且俯仰角度可调的靠背122。其中的矩形框架11包括底座111、连接在底座四角的四根高度可调的立柱112、连接在立柱上端的两根纵梁113和连接在两根纵梁之间的横梁组件114；探头定位机构2活动安装在其中的一根纵梁113上并可沿该纵梁滑动；座椅12安装在底座111上。

配合参见图4，本发明中的四根高度可调的立柱112各包括基座1121、第一步进电机1122、第一丝杆1123和升降杆1124，第一步进电机1122安装在基座1121内，第一丝杆1123的下端与第一步进电机1122传动相连，第一丝杆1123的上部与升降杆1124传动相连可带动升降杆上升或下降，在升降杆1124的上端设有用于安装纵梁的开口槽1125。

配合参见图9，本发明中的高度可调的椅座121包括升降台基座1211、第二步进电机1212、第二丝杆1213、升降台1214、座架1215和座椅面1216，升降台基座1211安装在矩形框架的底座111上，第二步进电机1212安装在升降台基座1211内，第二丝杆1213的下端与第二步进电机1212传动相连，第二丝杆的上部与升降台1214传动相连可带动升降台上升或下降，座架1215连接在升降1214台的上端，座椅面1216连接在座架的上端；靠背角度调节机构中的调节盘131安装在座架1215上。

配合参见图4，本发明中的高度可调的矩形框架11还包括两个加强套柱115，该两个加强套柱115分别套装在两根高度可调的立柱112上，该两根高度可调的立柱112位于靠近横梁组件114的一端。

配合参见图5，本发明中的纵梁113为两个，纵梁113的厚度与升降杆1124的上端的开口槽1125的槽宽相同，纵梁113的两端1131呈圆弧形，其中部开有孔1132，用于将纵梁113安装到升降杆1124上并用销钉固定。当被测量者需要进入到两纵梁之间进行测量时，可以抽调一端的销钉后将纵梁转动90°，以方便被测量者的出入。

配合参见图6，本发明中的横梁组件114包括横梁1141、支撑梁1142和两个支撑螺栓1143，横梁1141的两端通过两滑动连接头1144分别与两根纵梁113滑动相连；支撑梁1142的两端通过两支撑头1145分别与两根立柱112的升降杆1124嵌套相连，支撑梁1142的中部通过两个支撑螺栓1143与横梁1141抵触相连。

配合参见图7、图8，本发明中的探头定位机构2包括固定连接件21、角度定位盘22、转臂23、角度定位销24、伸出臂25和探头座26。固定连接件21与矩形框架的一根纵梁滑动相连并可通过一个定位旋钮27固定；角度定位盘22固定在固定连接件21上，在角度定位盘22的同一个圆周上设有多个角度定位孔221；转臂23通过转轴222与角度定位盘22相连并可绕转轴转动，角度定位销24设置在转臂23的相应位置，该角度定位销24可插入角度定位盘22的任意一个角度定位孔221内实现转臂的角度变化；伸出臂25与转臂23滑动相连；探头座26与伸出臂25活动相连并可沿伸出臂作90度转动安装；肌力测试探头3通过螺钉28安装在探头座26上。在转臂23上设有滑轨231，伸出臂25嵌装在该滑轨231上可沿该滑轨移动。

配合参见图10、图11，本发明中的座架1还包括一个靠背角度调节机构13，该靠背角度调节机构13包括调节盘131(配合参见图9)、踩板座132、踩板133、两根连接线134、两个销钉135和两个弹簧136；调节盘131共两个对称固定在座椅的椅座121上，调节盘上设有多个调节定位孔1311；踩板座132放置在地面上，或者安装在矩形框架的底座111上，或者安装在座椅的靠背122上；踩板133安装在踩板座132上，并与两根连接线134分别相连；两个销钉135分别连接在两根连接线134的端部；两个弹簧136分别套装在两根连接线134上并位于销钉内侧；在靠背122的后部设有靠背架123，该靠背架的下部活动连接在两个调节盘131之间，靠背架123的下部设有用于插入两个销钉的两个销钉孔1231两个销钉135分别从内往外插入两个销钉孔1231内；踩下踩板133可使两个销钉135脱离调节盘131而实现靠背122的俯仰角度可调。

在多功能无线通讯肌力测试系统上还安装有控制柜(未图示出来)，控制柜内设有电源模块和电机驱动模。电源模块为电机驱动模块提供电源，电机驱动模块分别与各步进电机电相连，实现驱动各步进电机的正反转工作。

探头座26用于连接肌力测试探头3，并且传感器3伸出的方向、伸出的左右长度、前后长度均可调节。传感器3伸出的方向的调节方法如下：伸出臂25为四通底座，其伸出头为正方形，探头座26可以在该正方形伸出头上90°旋转转入；传感器3伸出的左右长度的调节方法如下：探头座26为开口型零件，滑动探头座26在伸出臂25上的左右位置，到位后旋紧螺母261、262就可以把探头座26紧固到伸出臂25上；传感器3伸出的前后长度的调节方法如下：转臂23上安装有滑轨231，通过调整探头座26在滑轨231上的位置来调节传感器3伸出的前后长度。

参见图13，本发明中的肌力测试探头3包括电池31、电源管理模块32、肌力测试传感器33、信号调理模块34、微处理器35和蓝牙发送模块36，电源管理模块32将电池电压转换为各用电元件所需的电压等级并输出到各用电元件，肌力测试传感器33的输出端连接信号调理模块34的输入端，信号调理模块34的输出端连接微处理器35的输入端，微处理器35的输出端连接蓝牙发送模块36的输入端。

本发明中的肌力测试探头3的量程分为四档，分别是50N、200N、500N和1000N。

本发明中的信号调理模块由前置差分放大电路、滤波电路、模数转换电路顺序连接组成，前置差分放大电路的输入端连接肌力测试传感器的输出端，模数转换电路的输出端连接微处理器的输入端。

本发明的肌力测试探头由电池供电，电源管理模块将电池电压转换为各用电模块所需的电压等级，并输出到各用电模块。肌力测试传感器将被测的肌力信号转换为电信号，经过前置差分放大电路和滤波电路对信号进行放大和滤除噪声处理，然后由模数转换电路将其转换为数字量，微处理器读取该数字量，并将其通过蓝牙发送模块无线传输到上位机肌力评估装置，由上位机肌力评估装置中的蓝牙接收模块进行接收。根据被测肌力的等级，肌力测试探头设计为四档，分别具有不同的量程，以适应于不同强度等级的肌力测量。

对肌力测定传感器输出信号进行差分放大，运用的前置差分放大电路基本放大原理如图14所示：

对于节点B有，其电位为

且有

$i_G+i_1+i_2=0\⇒\frac{V_{\mathrm{IN}}^{+}-V_{\mathrm{IN}}^{-}}{R_G}+\frac{V_{\mathrm{IN}}^{+}-V_o}{R_1}+\frac{V_{\mathrm{IN}}^{+}-V_1}{R_2}=0---\left(1\right)$

对于节点C有，其电位为

且有

$i_G=i_3+i_4\⇒\frac{V_{\mathrm{IN}}^{+}-V_{\mathrm{IN}}^{-}}{R_G}=\frac{V_{\mathrm{IN}}^{-}}{R_3}+\frac{V_{\mathrm{IN}}^{-}-V_1}{R_4}---\left(2\right)$

该电路差模增益定义为：

$G=\frac{V_o}{V_{\mathrm{DM}}}=\frac{V_o}{V_{\mathrm{IN}}^{+}-V_{\mathrm{IN}}^{-}}---\left(3\right)$

通过式(1)和式(2)可求得

$G=\frac{60}{R_G}+4---\left(4\right)$

通过调节电阻R_G＝1～∞时，可使增益从4至10000倍可调。

上位机肌力评估装置通过蓝牙接收模块无线接收肌力测试探头发送的数据。在进行数据传输前，上位机肌力评估装置首先与肌力测试探头之间进行握手通讯。当握手通讯成功后，双方设备已经准备好，然后开始肌力数据的无线收发。上位机肌力评估装置将接收的肌力数据进行存储、显示、计算、处理，用来对被测的肌力进行定量分析和评估。同时，上位机肌力评估装置还提供友好的人机界面，供测试者设置无线通讯参数，肌力测试探头接收上位机肌力评估装置下传的通讯参数，并完成通讯参数的修改。

本发明的肌力测试探头与上位机肌力评估装置之间通过蓝牙协议实现了数据的双向无线通讯。肌力测试探头为电池供电，消除了电源线和信号线对测试的束缚。上位机肌力评估装置可对无线接收的肌力值进行实时显示、存储和定量分析，并计算肌力测试中的重要指标，实现对被测者肌力的客观评估。可适用于多级肌力的测定。

本发明通过上位机肌力评估装置4实现控制与数据采集与处理，并由显示屏进行显示。

本发明中数据的采集和处理，由肌力测试探头3采集肌肉压力数据并经无线传输方式传输到上位机肌力评估装置4对信号进行处理，并以直观的图或数据表格的形式显示出来，以便实时了解到被测量者的肌力情况，被测量者也可通过显示器直观自己肌力测量情况，有利于激发他们的训练欲望。

Claims (9)

1.一种多功能无线通讯肌力测试系统，其特征在于：包括座架、探头定位机构、肌力测试探头和上位机肌力评估装置；探头定位机构活动安装在座架的一侧并可沿座架滑动，肌力测试探头安装在探头定位机构上，通过调节探头定位机构可实现肌力测试探头空间方位的三维调节；在肌力测试探头中设有蓝牙发送模块，在上位机肌力评估装置中设有蓝牙接收模块，肌力测试探头与上位机肌力评估装置之间通过蓝牙协议实现数据的无线通讯；

所述的探头定位机构包括固定连接件、角度定位盘、转臂、角度定位销、伸出臂和探头座；固定连接件与矩形框架的一根纵梁滑动相连并可通过一个定位旋钮固定；角度定位盘固定在固定连接件上，在角度定位盘的同一个圆周上设有多个角度定位孔；转臂通过转轴与角度定位盘相连并可绕转轴转动，角度定位销设置在转臂的相应位置，该角度定位销可插入角度定位盘的任意一个角度定位孔内实现转臂的角度变化；伸出臂与转臂滑动相连；探头座与伸出臂活动相连；所述的肌力测试探头安装在探头座上；

所述的肌力测试探头包括电池、电源管理模块、肌力测试传感器、信号调理模块、微处理器和蓝牙发送模块，电源管理模块将电池电压转换为各用电元件所需的电压等级并输出到各用电元件，肌力测试传感器的输出端连接信号调理模块的输入端，信号调理模块的输出端连接微处理器的输入端，微处理器的输出端连接蓝牙发送模块的输入端。

2.如权利要求1所述的多功能无线通讯肌力测试系统，其特征在于：所述的座架包括一个高度可调的矩形框架，矩形框架内设有座椅，该座椅包括一个高度可调的椅座和一个与椅座相连并且俯仰角度可调的靠背。

3.如权利要求2所述的多功能无线通讯肌力测试系统，其特征在于：所述的矩形框架包括底座、连接在底座四角的四根高度可调的立柱、连接在立柱上端的两根纵梁和连接在两根纵梁之间的横梁组件；所述的探头定位机构活动安装在其中的一根纵梁上并可沿该纵梁滑动；所述的座椅安装在底座上。

4.如权利要求1所述的多功能无线通讯肌力测试系统，其特征在于：所述的转臂上设有滑轨，所述的伸出臂嵌装在该滑轨上可沿该滑轨移动。

5.如权利要求2所述的多功能无线通讯肌力测试系统，其特征在于：所述的高度可调的椅座包括升降台基座、第二步进电机、第二丝杆、升降台、座架和座椅面，升降台基座安装在矩形框架的底座上，第二步进电机安装在升降台基座内，第二丝杆的下端与第二步进电机传动相连，第二丝杆的上部与升降台传动相连可带动升降台上升或下降，座架连接在升降台的上端，座椅面连接在座架的上端；靠背角度调节机构中的调节盘安装在座架上。

6.如权利要求3所述的多功能无线通讯肌力测试系统，其特征在于：所述的四根高度可调的立柱各包括基座、第一步进电机、第一丝杆和升降杆，第一步进电机安装在基座内，第一丝杆的下端与第一步进电机传动相连，第一丝杆的上部与升降杆传动相连可带动升降杆上升或下降，在升降杆的上端设有用于安装纵梁的开口槽。

7.如权利要求3所述的多功能无线通讯肌力测试系统，其特征在于：所述的横梁组件包括横梁、支撑梁和两个支撑螺栓，横梁的两端通过两滑动连接头分别与两根纵梁滑动相连；支撑梁的两端通过两支撑头分别与两根立柱的升降杆嵌套相连，支撑梁的中部通过两个支撑螺栓与横梁抵触相连。

8.如权利要求2所述的多功能无线通讯肌力测试系统，其特征在于：所述的座架还包括一个靠背角度调节机构，该靠背角度调节机构包括调节盘、踩板座、踩板、两根连接线、两个销钉和两个弹簧；调节盘共两个对称固定在座椅的椅座上，调节盘上设有多个调节定位孔；踩板座放置在地面上，或者安装在矩形框架的底座上，或者安装在座椅的靠背上；踩板安装在踩板座上，并与两根连接线分别相连；两个销钉分别连接在两根连接线的端部；两个弹簧分别套装在两根连接线上并位于销钉内侧；所述的靠背后部设有靠背架，该靠背架的下部活动连接在两个调节盘之间，靠背架的下部设有用于插入两个销钉的两个销钉孔；两个销钉分别从内往外插入两个销钉孔内；踩下踩板可使两个销钉脱离调节盘而实现靠背的俯仰角度可调。

9.如权利要求1所述的多功能无线通讯肌力测试系统，其特征在于：所述的信号调理模块由前置差分放大电路、滤波电路、模数转换电路顺序连接组成，前置差分放大电路的输入端连接肌力测试传感器的输出端，模数转换电路的输出端连接微处理器的输入端。

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