CN102988153A - 一种用于步态康复训练的结构型减重系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种可用于步态康复训练的结构型减重系统。该系统由结构型减重装置、控制系统和机架底座三部分构成。立柱通过螺栓安装在机架底座上，夹持在患者骨盆两侧的U形手臂支架与滑块固连，可沿固定于立柱上的导轨移动，控制系统根据输入信号控制力矩电机输出恒定力矩，驱动U形手臂末端安全带在患者骨盆处施加向上的支撑力。本发明所采用的结构型减重装置有效的减少了绳索型减重系统对患者躯干和骨盆运动的束缚并防止病人摔倒，提高了舒适度，在训练患者下肢行走功能的同时训练了平衡能力，加速康复进程；治疗师可以根据患者的康复情况设定不同的减重值，患者也可在训练过程中自主地调节减重值。

Description

一种用于步态康复训练的结构型减重系统

技术领域

本发明涉及康复医疗器械领域，特别是涉及一种可用于步态康复训练的结构型减重系统。

背景技术

近年来，人口老龄化加剧，各种不健康的生活方式以及交通事故、工伤等不断增加，由中风、脊柱损伤或意外事故等造成的行走功能障碍的患者已成为现代社会的常见群体。对这类患者除了采用药物和手术治疗外，主要依靠的是物理治疗，即进行康复训练。

研究表明，患者不能正常行走的很大一部分原因是下肢不能负重，即下肢承受不了身体的重量。传统的训练方法是通过治疗师将患者搀扶起来进行训练，这样的方法劳动强度大，效率低。随着机器人技术的发展，各种康复机器人相继出现，减重系统成为了康复机器人研究的一个热点。目前常用的减重系统主要是通过在患者背部系上安全带，由绳索通过位于患者头顶上的支架将患者垂直拉起以达到减重的目的，称之为绳索型减重系统。这样的减重方式给患者较大的束缚，训练过程很不舒适，限制了患者躯干和骨盆等多个方向的自由度，使患者在训练过程中不能自主的移动自己的身体。而相关研究表明躯干和骨盆的自由运动对患者平衡能力的训练有着非常重要的作用，绳索型减重系统仅关注于患者下肢的减重和行走功能，忽略了平衡能力训练对患者康复的重要性，从而影响了康复训练效果。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的不足，提供一种由力矩电机驱动U型手臂支架在患者骨盆处提供向上的支撑，以实现减重功能的用于步态康复训练的结构型减重系统。可减少对患者躯干和骨盆运动自由度的束缚，使患者能够自由运动躯干和骨盆，提高训练过程的舒适度，保护患者不会摔倒，在训练下肢行走功能的同时训练平衡能力，达到更好的训练效果。

为达到上述目的，本发明采用了下述技术方案：

一种用于步态康复训练的结构型减重系统，由结构型减重装置、控制系统和机架底座三部分组成；其特征在于：所述结构型减重装置通过一个立柱由螺栓安装在机架底座上，有一个力矩电机和控制系统中的一个嵌入式主机及一个控制器嵌入在机架底座内部，所述控制系统根据输入信号控制力矩电机输出恒定力矩，驱动结构型减重装置末端的安全带在患者骨盆处施加向上的支撑力，提供患者所需的减重值，实现主动减重的功能。

所述结构型减重装置包括所述安全带、一个U形手臂支架、一个滑块基座、四个滑块、两根导轨、一圈同步齿形带、两个同步带轮、一个力矩电机和所述立柱；所述安全带固定于U型手臂支架末端，U型手臂支架与滑块基座铆接在一起，滑块基座通过螺栓与四个滑块联接，四个滑块可分别沿两根导轨上下移动，两根导轨由螺栓固定在立柱上，所述力矩电机的输出轴通过普通平键与两个同步带轮中位于下方的一个联接，同步齿形带啮合于两个同步带轮上，滑块基座与同步齿形带通过螺钉固定于一起；训练时，力矩电机驱动同步带轮旋转，与同步带轮啮合的同步齿形带随之运动将力矩电机输出的旋转运动转换为直线运动，同步齿形带的运动将带动与之固连的滑块基座通过滑块沿导轨上下移动，最终带动固定于U型手臂支架末端的安全带以实现减重的功能。

控制系统包括一个嵌入式主机、一个控制器、一个人机操作面板和两个环状力传感器；所述嵌入式主机接收来自于固定在立上的人机操作面板的输入信号并与控制器相连，控制器与力矩电机相连，嵌入式主机根据输入信号由控制器输出指令信号控制力矩电机旋转。

所述机架底座包括一个U型底座支架、两个主动万向轮和两个随动轮；所述主动万向轮和随动轮通过螺栓固定在所述U型底座支架底部，主动万向轮安装在后，可以控制运动方向并提供动力朝任意方向运动，随动轮安装在前，整台机器可以在地面自由移动进行移动式减重康复训练，也可以根据需要选择与跑步机固接，进行固定式减重康复训练。

所述U型手臂支架末端两侧各固定有一个环状力传感器，环状力传感器可以检测力的方向并将数据传送给嵌入式主机，从而通过控制力矩电机带动结构型减重装置末端的安全带上下移动以达到帮助患者恢复站立和调节减重值的功能，在训练过程中，当患者失去平衡后，可以通过手指给予环状力传感器一个向上的力，控制力矩电机带动结构型减重装置中的滑块向上滑动，帮助患者恢复站立，患者还可以通过环状力传感器自主的调节减重值。

所述人机操作面板可以设定安全范围，既设定滑块下滑的极限距离，当滑块下滑到极限位置后就不能继续下滑，通过安全带和U型手臂支架共同起着防止患者摔倒的作用。

本发明和现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：

本发明结构简单，使用方便。使用时，患者将安全带穿戴于骨盆位置，通过力矩电机驱动滑块及U型手臂式支架给予患者一个向上的支撑力，以减轻患者下肢的负重，这种方式的减重系统给患者的束缚小，能够保持最大的舒适度，患者在训练过程中能够自由运动躯干和骨盆，在训练下肢行走功能的同时达到训练平衡能力的效果。根据病人的恢复情况，通过操作面板能够调整力矩电机输出的大小，实现减重值的调节，患者在训练过程中也可通过环状力传感器自行调节减重值。同时本发明能够防止患者意外摔倒，保证训练过程的安全，在患者失去平衡后还能通过环状力传感器使自己恢复站立。

附图说明

图1是用于步态康复训练的结构型减重系统的示意图。

图2是结构型减重装置中立柱滑块机构和部分控制系统示意图。

图3是典型实施例的工作流程示意图。

图4是控制系统流程图。

具体实施方式

以下结合附图和优选实施例详细说明本发明的典型实施例。

实施例一： 

参见附图1和2，一种用于步态康复训练的结构型减重系统，由结构型减重装置(Ⅰ)、控制系统(Ⅱ)和机架底座(Ⅲ)三部分组成；其特征在于：所述结构型减重装置(Ⅰ)通过一个立柱（9）由螺栓安装在机架底座(Ⅲ)上，有一个力矩电机（8）和控制系统中的一个嵌入式主机（10）及一个控制器（11）嵌入在机架底座(Ⅲ)内部，所述控制系统(Ⅱ)根据输入信号控制力矩电机（8）输出恒定力矩，驱动结构型减重装置(Ⅰ)末端的安全带（1）在患者骨盆处施加向上的支撑力，提供患者所需的减重值，实现主动减重的功能。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于所述的用于步态康复训练的结构型减重系统，其特征在于：所述结构型减重装置(Ⅰ)包括所述安全带（1）、一个U形手臂支架（2）、一个滑块基座（3）、四个滑块（4）、两根导轨（5）、一圈同步齿形带（6）、两个同步带轮（7）、一个力矩电机（8）和所述立柱（9）；所述安全带（1）固定于U型手臂支架（2）末端，U型手臂支架（2）与滑块基座（3）铆接在一起，滑块基座（3）通过螺栓与四个滑块（4）联接，四个滑块（4）可分别沿两根导轨（5）上下移动，两根导轨（5）由螺栓固定在立柱（9）上，所述力矩电机（8）的输出轴通过普通平键与两个同步带轮（7）中位于下方的一个联接，同步齿形带（6）啮合于两个同步带轮（7）上，滑块基座（3）与同步齿形带（6）通过螺钉固定于一起；训练时，力矩电机（8）驱动同步带轮（7）旋转，与同步带轮（7）啮合的同步齿形带（6）随之运动将力矩电机（8）输出的旋转运动转换为直线运动，同步齿形带（6）的运动将带动与之固连的滑块基座（3）通过滑块（4）沿导轨（5）上下移动，最终带动固定于U型手臂支架（2）末端的安全带（1）以实现减重的功能。

所述的用于步态康复训练的结构型减重系统，其特征在于：控制系统(Ⅱ)包括一个嵌入式主机（10）、一个控制器（11）、一个人机操作面板（12）和两个环状力传感器（13）；所述嵌入式主机（10）接收来自于固定在立柱（9）上的人机操作面板（12）的输入信号并与控制器（11）相连，控制器（11）与力矩电机（8）相连，嵌入式主机（10）根据输入信号由控制器（11）输出指令信号控制力矩电机（8）旋转。

所述的用于步态康复训练的结构型减重系统，其特征在于：所述机架底座（Ⅲ）包括一个U型底座支架（14）、两个主动万向轮（15）和两个随动轮（16）；所述主动万向轮（15）和随动轮（16）通过螺栓固定在所述U型底座支架（14）底部，主动万向轮（15）安装在后，可以控制运动方向并提供动力朝任意方向运动，随动轮（16）安装在前，整台机器可以在地面自由移动进行移动式减重康复训练，也可以根据需要选择与跑步机固接，进行固定式减重康复训练。

所述的控制系统，其特征在于：所述U型手臂支架（2）末端两侧各固定有一个环状力传感器（13），环状力传感器（13）可以检测力的方向并将数据传送给嵌入式主机（10），从而通过控制力矩电机（8）带动结构型减重装置末端的安全带（1）上下移动以达到帮助患者恢复站立和调节减重值的功能，在训练过程中，当患者失去平衡后，可以通过手指给予环状力传感器（13）一个向上的力，控制力矩电机（8）带动结构型减重装置中的滑块（4）向上滑动，帮助患者恢复站立，患者还可以通过环状力传感器（13）自主的调节减重值。

所述的控制系统，其特征在于：所述人机操作面板（12）可以设定安全范围，既设定滑块（4）下滑的极限距离，当滑块（4）下滑到极限位置后就不能继续下滑，通过安全带（1）和U型手臂支架（2）共同起着防止患者摔倒的作用。

工作原理及操作流程如下：

参见附图3和4，首先，将系统开机初始化，根据治疗师的意见选择是在地面自由移动进行移动式减重康复训练或是将整台设备与跑步机固接进行固定式减重康复训练。

训练开始前，治疗师将安全带（1）穿戴于患者骨盆处，U型手臂支架（2）夹持于患者骨盆两侧。

治疗师通过人机操作面板（12）设定不同的减重值，嵌入式主机（10）根据所设定的减重值通过控制器（11）控制力矩电机（8）输出恒定的力矩带动结构型减重装置末端的安全带（1）在患者骨盆处施加向上的支撑力，达到患者所需的减重值，在训练过程中，患者也可以给环状力传感器（13）施加向上或是向下的力调节力矩电机（8）的输出，自主调节减重值。

训练过程中，骨盆会随着患者的走动上下轻微的运动，当骨盆运动时，力矩电机（8）的负载也会随着变化，而力矩电机（8）的输出值恒定，因而通过同步带轮（7）驱动同步齿形带（6）运动，同步齿形带（6）带动固连的滑块基座（3）通过滑块（4）沿导轨（5）移动，从而带动与滑块基座（3）固连的U型手臂支架（2）及其上的安全带（1）跟随患者的运动上下移动，减少对患者的束缚。

治疗师通过操作面板（12）可以设定安全范围，既设定滑块（4）的下滑极限，在训练过程中，当患者失去平衡摔倒后，整个结构型减重装置会随着患者一起下滑，当滑块（4）滑至极限位置后将不能继续下滑，从而保护患者不会继续摔倒。

当患者失去平衡后需要重新站立时，可以给环状力传感器（13）施加一个向上的力，环状力传感器（13）测出力的方向后传给嵌入式主机（10），嵌入式主机（10）通过控制器（11）控制力矩电机（8）的输出，驱动结构型减重装置末端的安全带（1）带动患者向上运动，帮助患者重新恢复站立。

由于本发明对患者的束缚较小，患者的躯干和骨盆能够进行各个方向的自由运动，保持患者最大的舒适度，在训练下肢行走功能的同时训练平衡能力，并能保证患者训练过程的安全，加速康复的进程。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于步态康复训练的结构型减重系统，由结构型减重装置(Ⅰ)、控制系统(Ⅱ)和机架底座(Ⅲ)三部分组成；其特征在于：所述结构型减重装置(Ⅰ)通过一个立柱（9）由螺栓安装在机架底座(Ⅲ)上，有一个力矩电机（8）和控制系统中的一个嵌入式主机（10）及一个控制器（11）嵌入在机架底座(Ⅲ)内部，所述控制系统(Ⅱ)根据输入信号控制力矩电机（8）输出恒定力矩，驱动结构型减重装置(Ⅰ)末端的安全带（1）在患者骨盆处施加向上的支撑力，提供患者所需的减重值，实现主动减重的功能。

2.根据权利要求1所述的用于步态康复训练的结构型减重系统，其特征在于：所述结构型减重装置(Ⅰ)包括所述安全带（1）、一个U形手臂支架（2）、一个滑块基座（3）、四个滑块（4）、两根导轨（5）、一圈同步齿形带（6）、两个同步带轮（7）、一个力矩电机（8）和所述立柱（9）；所述安全带（1）固定于U型手臂支架（2）末端，U型手臂支架（2）与滑块基座（3）铆接在一起，滑块基座（3）通过螺栓与四个滑块（4）联接，四个滑块（4）可分别沿两根导轨（5）上下移动，两根导轨（5）由螺栓固定在立柱（9）上，所述力矩电机（8）的输出轴通过普通平键与两个同步带轮（7）中位于下方的一个联接，同步齿形带（6）啮合于两个同步带轮（7）上，滑块基座（3）与同步齿形带（6）通过螺钉固定于一起；训练时，力矩电机（8）驱动同步带轮（7）旋转，与同步带轮（7）啮合的同步齿形带（6）随之运动将力矩电机（8）输出的旋转运动转换为直线运动，同步齿形带（6）的运动将带动与之固连的滑块基座（3）通过滑块（4）沿导轨（5）上下移动，最终带动固定于U型手臂支架（2）末端的安全带（1）以实现减重的功能。

3.根据权利要求1所述的用于步态康复训练的结构型减重系统，其特征在于：控制系统(Ⅱ)包括一个嵌入式主机（10）、一个控制器（11）、一个人机操作面板（12）和两个环状力传感器（13）；所述嵌入式主机（10）接收来自于固定在立柱（9）上的人机操作面板（12）的输入信号并与控制器（11）相连，控制器（11）与力矩电机（8）相连，嵌入式主机（10）根据输入信号由控制器（11）输出指令信号控制力矩电机（8）旋转。

4.根据权利要求1所述的用于步态康复训练的结构型减重系统，其特征在于：所述机架底座（Ⅲ）包括一个U型底座支架（14）、两个主动万向轮（15）和两个随动轮（16）；所述主动万向轮（15）和随动轮（16）通过螺栓固定在所述U型底座支架（14）底部，主动万向轮（15）安装在后，可以控制运动方向并提供动力朝任意方向运动，随动轮（16）安装在前，整台机器可以在地面自由移动进行移动式减重康复训练，也可以根据需要选择与跑步机固接，进行固定式减重康复训练。

5.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于：所述U型手臂支架（2）末端两侧各固定有一个环状力传感器（13），环状力传感器（13）可以检测力的方向并将数据传送给嵌入式主机（10），从而通过控制力矩电机（8）带动结构型减重装置末端的安全带（1）上下移动以达到帮助患者恢复站立和调节减重值的功能，在训练过程中，当患者失去平衡后，可以通过手指给予环状力传感器（13）一个向上的力，控制力矩电机（8）带动结构型减重装置中的滑块（4）向上滑动，帮助患者恢复站立，患者还可以通过环状力传感器（13）自主的调节减重值。

6.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于：所述人机操作面板（12）可以设定安全范围，既设定滑块（4）下滑的极限距离，当滑块（4）下滑到极限位置后就不能继续下滑，通过安全带（1）和U型手臂支架（2）共同起着防止患者摔倒的作用。

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