CN103142383A - 康健运动训练器的主被动实现方法 - Google Patents

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本发明公开了一种康健运动训练器的主被动实现方法，训练者在被动训练时控制电机处于位置模式或速度模式，通过训练装置带动上、下肢体运动，完成被动训练；在主动训练时训练者上、下肢体发力，电机设置为转矩模式，通过训练装置带动电机转动；训练者在辅助训练时，电机的工作模式是转矩模式与位置模式或速度模式在不同时间段上的组合，通过控制电机在位置模式或速度模式与转矩模式之间的实时切换，实现主、被动训练。本发明可提高训练者参与训练的主动性，健身者或患者可以根据自身的身体状况和体能自主调整训练的模式、速度和强度，适合不同康复阶段、不同心理状况的康健训练。

Description

康健运动训练器的主被动实现方法
技术领域：
本发明涉及康健运动训练器的主被动实现方法。
背景技术：
目前国内外康复训练器械，大多采用被动训练方式，较少采用主动训练方式；健身器械，大多采用主动训练方式，较少采用被动训练方式，且在健身器械中的主动训练基本是采用摩擦阻力式、负重阻力式、液压阻力式、空气阻力式和磁控阻力式，这些方式均无法用于被动训练方式中，且调节不方便。在康复或健身器械中同时结合主被动方式的较少，目前既能用于主动训练又能用于被动训练的实现方法是采用机器人控制技术，通过力传感器和驱动电机相结合来实现阻抗控制，达到被动和主动相结合的辅助训练目的，该实现方法较为复杂，实现也较困难。同时，现有的控制方式缺乏友好的人机交互，很难达到理想的训练效果。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有康复、健身训练控制中存在的问题和不足，提供一种能够实现主被动多种训练模式的实现方法，提高训练者参与训练的主动性，健身者或患者可以根据自身的身体状况和体能自主调整训练的模式、速度和强度，适合不同康复阶段、不同心理状况的康健训练，同时提供无线智能终端的触摸屏实时显示和记录训练的运动参数，人机交互友好。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
康健运动训练器的主被动实现方法：
训练者在被动训练时采用控制电机驱动，电机处于位置模式或速度模式，通过训练装置带动上、下肢体运动，完成被动训练；
在主动训练时训练者上、下肢体发力，电机设置为转矩模式，通过训练装置带动电机转动；
训练者在辅助训练时，电机的工作模式是转矩模式与位置模式或速度模式在不同时间段上的组合，健身者或患者根据自身的身体状况和体能，在不同健身或康复阶段使用不同的训练方式，通过控制电机在位置模式或速度模式与转矩模式之间的实时切换，实现主、被动训练。
被动训练中，根据训练速度要求和位置传感器检测到的训练装置与训练者手部或脚部接触处的位置和速度，来控制电机的速度；或根据训练速度要求简单地规定电机的速度。
主动训练中，根据训练强度要求和位置传感器检测到的训练装置与训练者手部或脚部接触处的位置和速度，来调整电机的转矩大小；或根据训练强度要求简单地给电机设定固定的转矩值。
辅助训练中，在人力能够带动训练装置时，电机采用转矩模式；在人力无法带动训练装置时，电机采用转矩模式，或者采用位置模式或速度模式。
所述电机的位置模式或速度模式转换为转矩模式的方法，或电机的转矩模式转换为位置模式或速度模式的方法，是通过控制单元控制不同的继电器接通设计好的外部电路来实现的。
主动训练中，通过控制单元的D/A输出不同的电压来驱动电机，从而调节转矩的大小，产生不同的抵抗阻力，实现不同强度的主动训练。
所述位置传感器采用旋转编码器，所述旋转编码器安装在电机上或安装在训练装置上。
训练中，可以利用布置在人体关节上的角度传感器测量上下肢关节的角度，进一步调节电机的速度或转矩，并将感测到的当前关节角度显示在无线智能终端的触摸屏上，通过信息反馈的方式刺激患者大脑意识。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
（1）利用控制电机如伺服电机和旋转编码器结合来实现运动器械的主动和被动训练；
（2）主动训练时的阻力提供方式由控制电机代替了传统的摩擦阻力式、负重阻力式、液压阻力式及空气阻力，不但阻力矩连续可调，而且可以结合旋转编码器随着位置变化及时调整阻力矩的大小，从而具有阻力大小变化灵敏、阻力调节随心所欲、阻力作用柔和、运动舒适等优点；
（3）被动训练时，控制电机速度连续可调，而且可以随着位置变化及时调整速度大小，使得上下肢体运动柔和、舒适；
（4）在辅助训练时，当人的力量足够大时，电机采用力矩模式产生阻力，并根据位置调节力矩大小，保证阻力适当；当人的力量不够时，电机采用位置或速度模式，同时根据位置调节速度大小，保证助力合理；
（5）可以方便地随时控制外部电路切换控制电机的工作模式，保证主动训练和被动训练能够很好地结合、任意变换，满足不同健身或康复阶段的训练需要；
（6）利用控制电机和旋转编码器实现阻力调节，不需要力传感器，控制策略较现有的阻抗控制方法简单，阻力调节方便、安全可靠。
附图说明：
图1是本发明的康健训练器总体原理图。
图2是本发明的康健训练器主、被动运动控制方法1。
图3是本发明的康健训练器主、被动运动控制方法2。
图4是本发明的康健训练器辅助运动控制方法。
图5是本发明的康健运动训练器模式切换控制电路原理图。
图6是本发明的康健运动训练器控制系统框图。
图中标号：1控制单元，2控制电机，3训练装置，4位置传感器，5角度传感器，6触摸屏。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式：
实施例：参见图1：康健运动训练器结构主要由控制单元1、控制电机2、训练装置3、位置传感器4、角度传感器5、触摸屏6等组成。
参见图2-3：康健运动训练器主、被动实现方法，训练者在被动训练时采用控制电机2驱动，控制电机可以是伺服电机、力矩电机、无刷直流电机等，控制电机2处于位置模式或速度模式，通过训练装置3带动上、下肢体运动，完成被动训练，且根据位置传感器4检测到的训练装置3与训练者手部或脚部接触处的位置和速度，来控制电机2的速度；在简单控制方式时，可以根据训练速度要求简单地规定电机的速度。在主动训练时训练者上、下肢体发力，控制电机2设置为转矩模式，通过训练装置3带动控制电机2转动，且根据位置传感器4检测到的训练装置3与训练者手部或脚部接触处的位置和速度，来调整电机的扭矩大小；在简单控制方式时，可以根据训练强度要求简单地给控制电机设定固定的转矩值。图2的位置传感器4为旋转编码器，如光电编码器、霍尔元件等，安装在伺服电机或者训练装置3上；图3的位置检测装置为角度传感器5，安装在训练者的各个关节处。
参见图4：康健运动训练器辅助训练实现方法，训练者在辅助训练时，其上、下肢体发力，在人体发力足够时电机采用转矩模式，转矩的调节方法同上。在人体发力不足时，电机采用转矩模式，或者采用位置模式或速度模式，转矩、速度的调节方法同上。
参见图5：康健运动训练器模式切换控制电路原理图，通过控制单元1控制八个继电器，接通不同的线路，实现伺服电机位置模式或者速度模式与转矩模式之间的实时切换，达到主、被动控制的目的。通过控制单元的D/A输出不同的电压来驱动电机，从而调节扭矩的大小，产生不同的抵抗阻力，实现不同强度的主动训练。
参见图6：本发明还可以通过角度传感器5测量上下肢关节的角度，进一步调节电机的速度或转矩，并将感测到的当前关节角度显示在无线智能终端的触摸屏6上，通过信息反馈的方式刺激患者大脑意识。

Claims (8)

1.康健运动训练器的主被动实现方法，其特征在于：
训练者在被动训练时采用控制电机驱动，电机处于位置模式或速度模式，通过训练装置带动上、下肢体运动，完成被动训练；
在主动训练时训练者上、下肢体发力，电机设置为转矩模式，通过训练装置带动电机转动；
训练者在辅助训练时，电机的工作模式是转矩模式与位置模式或速度模式在不同时间段上的组合，健身者或患者根据自身的身体状况和体能，在不同健身或康复阶段使用不同的训练方式，通过控制电机在位置模式或速度模式与转矩模式之间的实时切换，实现主、被动训练。
2.根据权利要求1所述的康健运动训练器的主被动实现方法，其特征在于，被动训练中，根据训练速度要求和位置传感器检测到的训练装置与训练者手部或脚部接触处的位置和速度，来控制电机的速度；或根据训练速度要求简单地规定电机的速度。
3.根据权利要求1所述的康健运动训练器的主被动实现方法，其特征在于，主动训练中，根据训练强度要求和位置传感器检测到的训练装置与训练者手部或脚部接触处的位置和速度，来调整电机的转矩大小；或根据训练强度要求简单地给电机设定固定的转矩值。
4.根据权利要求1所述的康健运动训练器的主被动实现方法，其特征在于，辅助训练中，在人力能够带动训练装置时，电机采用转矩模式；在人力无法带动训练装置时，电机采用转矩模式，或者采用位置模式或速度模式。
5.根据权利要求1所述的康健运动训练器的主被动实现方法，其特征在于，所述电机的位置模式或速度模式转换为转矩模式的方法，或电机的转矩模式转换为位置模式或速度模式的方法，是通过控制单元控制不同的继电器接通设计好的外部电路来实现的。
6.根据权利要求1或3所述的康健运动训练器的主被动实现方法，其特征在于，主动训练中，通过控制单元的D/A输出不同的电压来驱动电机，从而调节转矩的大小，产生不同的抵抗阻力，实现不同强度的主动训练。
7.根据权利要求2或3所述的康健运动训练器的主被动实现方法，其特征在于，所述位置传感器采用旋转编码器，所述旋转编码器安装在电机上或安装在训练装置上。
8.根据权利要求1所述的康健运动训练器的主被动实现方法，其特征在于，训练中，可以利用布置在人体关节上的角度传感器测量上下肢关节的角度，进一步调节电机的速度或转矩，并将感测到的当前关节角度显示在无线智能终端的触摸屏上，通过信息反馈的方式刺激患者大脑意识。
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