CN103860355B - 双肢镜像运动训练设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双肢镜像运动训练设备，包括主机构、能量补偿模块和从机构，所述的主机构含有主电机，从机构含有从电机，两个电机与能量补偿模块串联起来；主机构安装在患者的健肢关节处，从机构安装在患者的患肢关节处，所述的主机构跟着健肢关节运动而产生电能，该电能与主机构产生的电能相结合作为电源，并通过能量补偿模块调整回路电流，使得实现双肢体镜像运动的同时，可以充分调动患肢关节的主动运动能力。

Description

双肢镜像运动训练设备

技术领域

本发明涉及一种肢体康复运动设备。

背景技术

当今已经入高龄化社会，有上肢或是下肢障碍的患者越来越多，但是肢体的康复训练需要在治疗医师的指导下训练，患者常常需要在医院或者康复训练中心应用专业的设备，并在治疗医师的陪伴下进行训练。在训练过程中需要按时到医院或康复中心，需要花费大量的费用，并需要最少一到两名家属陪伴，需要大量的人力物力。目前大多数的肢体运动辅助设备仅仅依靠外部电源提供动力，患者常常担心机械会超出运动范围，造成意外伤害。现有的训练设备中存在一些问题：

1.训练前患者可以设置运动速度、运动范围和阻抗强度等等，尽管有几个档位可供选择，但是选择某一固定档位不能确保充分发挥和训练病患部位的主动运动能力，而且，如果档位选择不当超过患者病患部位的运动承受能力会引发患者的不适以及疼痛。固定的几个档位还降低了设备的智能型，不利于加快运动功能的恢复与增强。

2.实现镜像运动的同时，不一定充分调动病患关节的主动运动能力；或是充分调动病患关节主动运动能力的同时，不一定实现镜像运动，即二者不可同时实现。

3.尽管有的设备可以实时显示病患部位的负载力或是主动作用力的大小，但是需要应用力/力矩传感器来测试力/力矩，增加了开发成本以及设备的体积和重量。

4.设备的结构固定单一，不能够支持不同关节进行不同自由度的训练。因此研究一种安全、方便的智能肢体康复训练设备就成为需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种安全、方便的肢体康复训练设备，可以让患者在家中自主完成康复训练，设计相对位置可调的主从对称式运动训练机构，支持肢体不同关节进行不同自由度的运动训练。实现双肢体对应关节镜像运动的同时，可以基于病患部位的作用力以及舒适度实时调整运动速度、运动幅度以及阻抗力大小，充分调动病患部位的主动运动能力。同时，不应用力/力矩传感器即可实现双肢体关节作用力信息的实时反馈。

为了实现上述目的，提供一种技术方案：

一种双肢镜像运动训练设备，包括主机构、能量补偿模块和从机构，所述的主机构含有主电机，从机构含有从电机，两个电机与能量补偿模块串联起来；主机构安装在患者的健肢关节处，从机构安装在患者的患肢关节处，所述的主机构跟着健肢关节运动而产生电能，同时根据主从关节的实际运动速度控制能量补偿模块的电能输出，该电能与主机构产生的电能相结合作为电源，驱动从机构从而带动患者患肢关节运动，实现肢体对应关节的镜像运动训练。通过能量补偿模块调整回路电流，进而增加或减小提供给从机构端的辅助作用力或是阻碍作用力，使得实现双肢体镜像运动的同时，可以充分调动患肢关节的主动运动能力。

作为本发明双肢镜像运动训练设备的一种优选方案，根据主从电机闭环电路的电压平衡方程、主从机构的转矩/功率平衡方程，基于能量补偿模块输出能量和闭环电流的大小，可以直接计算出双肢体对应关节的负载力或者主动作用力。

作为本发明双肢镜像运动训练设备的一种优选方案，所述的主机构和从机构设计成左右对称结构并应用相同器件，使得设备的使用不受左右肢体穿戴方向的限制，并可以通过调整主机构和从机构的相对方位，支持不同关节进行不同自由度的镜像运动训练。

本发明考虑只应用一个能量补偿模块同时给两个电机提供电能，因此，两个电机电源端与能量补偿模块直接串联，并且，两个电机的电源端子反向连接，即，应用一个能源供给带动两个电机分别实现正转和反转。

本发明所述的双肢镜像运动训练设备，主要用来协助一侧肢体有运动功能障碍或是双侧肢体运动功能减退的患者进行康复训练或是运动功能增强训练，支持双侧肢体实现镜像对称运动或是镜像反对称运动，增加双侧肢体运动的对称性以及身体的平衡能力。该设计方案可以用于支持患者进行双肢体对应关节的被动-主动训练、主动-辅助训练和主动-阻抗训练(分隔符前代表患肢关节运动状态，分隔符后代表健肢关节运动状态)，其中主机构和从机构分别置于患者两肢体旁侧。

有益效果：

1.以健肢关节运动作为参考，根据主从机构运动速度差异控制能量补偿模块输出能量的大小，支持双肢体对应关节实现镜像运动，同时，在不同训练模式下，通过调整能量补偿模块能量输出的大小和方向，改变了主从机构的制动电流，进而平衡对应关节作用力的差异，使得在实现镜像运动的同时仍可以充分调动病患部位的主动运动能力。

2.根据主从电机闭环电路的电压平衡方程、主从机构的转矩/功率平衡方程和能量补偿模块输出能量的大小，可以直接计算出双肢体对应关节的负载力或者主动作用力，不需要力/力矩传感器即可实时反馈作用力情况。使得在不降低设备智能性的同时，节省开发成本，减小设备体积和重量，有利于实现便携式康复训练应用。

3.两个电机的线连接结构使得主从机构相对位置可调，因此，可以支持不同关节进行不同自由度的运动训练。此外，若是应用到外骨骼康复训练系统，双侧肢体对应关节和对应自由度应用独立的主从控制机构，线连接结构有利于支持双肢体在任意方位实现镜像运动，增加肢体运动的灵活性与自然性。

附图说明：

图1为被动-主动训练模式下闭环电路电压平衡示意图。

图2为主动-辅助训练模式下闭环电路电压平衡示意图。

图3为主动-阻抗训练模式下闭环电路电压平衡示意图。

具体实施方式

实施例1

被动-主动训练

健肢关节的运动带动主电机(文中用下标1代表主机构元器件)转动，电机工作在发电状态并产生一定的电能，即，主机构不需要能源供给，能量补偿模块只需给从机构提供电能，而且主电机产生的电能提供给从电机，通过控制能量补偿模块的电能输出量使从电机(文中用下标2代表从机构元器件)重复主电机的转动运动，进而，从机构带动病患关节重复健肢关节运动。

基于图1所示，闭环电路的电压平衡方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1+e_{\sup }-2Ri-2L\frac{di}{dt}=e_2\\ e_1=C_T{N}_1{\mathrm{\ω}}_1,e_2=C_T{N}_2{\mathrm{\ω}}_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

e₁和e₂为主、从电机的电枢电动势，其中e₁为生成电动势，e₂为反电动势；e₁和e₂为电机等效电阻和等效电感，由于两个电机相串联，因此这里相应系数均为2；e_sup为能量补偿模块提供的电压；i为闭环电流；C_T为电磁力矩常数；N₁和N₂为主、从电机变速箱的变速比；ω₁和ω₂为主机构和从机构终端速度，即健肢关节和患肢关节的速度。通过控制e_sup的大小，使主机构和从机构终端速度相等，支持两侧肢体关节实现镜像运动。

主机构和从机构的转矩平衡关系为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{T_1}{N_1}=T_m+T_0+{\mathrm{JN}}_1\frac{{\mathrm{d\ω}}_1}{dt}\\ \frac{T_2}{N_2}=T_m-T_0-{\mathrm{JN}}_2\frac{{\mathrm{d\ω}}_2}{dt}\\ T_m=C_{T}i\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中T₁和T₂为主机构和从机构的终端力矩，T_m为电磁力矩，T₀为空载力矩，J为转动惯量。在为主、从电机电路提供电能的同时，只要测试回路电流，即可根据公式(2)计算出健肢关节的驱动力矩和病患关节的负载力矩。

此外，由于主从电机的电流为闭环电流，所以两个电机的电磁力矩相等。因此，两个终端力矩具有如下关系：

$T_1=\frac{N_1}{N_2}{T}_2+N_1(2T_0+{\mathrm{JN}}_1\frac{{\mathrm{d\ω}}_1}{dt}+{\mathrm{JN}}_2\frac{{\mathrm{d\ω}}_2}{dt})---\left(3\right)$

即，该主机构和从机构不仅可以实现健肢关节和患肢关节的镜像对称运动，而且两个关节通过闭环电流相关联，彼此互相感知，有利于准确及时地调整作用力。

实施例2

主动-辅助训练

健肢关节和患肢关节的主动作用力分别带动主从电机转动，两个电机均工作在发电状态。基于左右对称的主机构和从机构，两肢体关节作用力方向镜像对称时，主从电机的转矩方向相反(一个是正向转矩，另一个是反向转矩)，由于两个电机电源端反向连接，相应的电压等效电路如图2所示，两个电动势分别作为同向/辅助电压提供给对侧机构，减小回路电流和对侧电机的制动力矩，进而减轻相应肢体关节的作用力负担。此时，能量补偿模块的输出用来平衡电路能量损耗、主从机构的机械损耗以及主从机构两端的作用力差异，使得两端关节主动作用力不同的情况下，仍可以实现镜像运动。针对此种作用力情况，闭环电路的电压平衡方程同公式(1)所描述，但是e₂为从电机生成的电源电动势。

针对图2，当e_sup＞0时，相当于从机构的作用力小，为了实现镜像对称运动，通过供给与从机构生成电动势同方向的电压协助患肢关节提高转速。其中主机构和从机构的功率平衡方程为：

$\{\begin{array}{c}{T}_1{\mathrm{\ω}}_1=(C_{T}i+T_0+J\frac{{\mathrm{d\ω}}_1}{dt})N_1{\mathrm{\ω}}_1\\ T_2{\mathrm{\ω}}_2+(e_{sup}-2Ri-2L\frac{di}{dt})i=(C_{T}i+T_0+J\frac{{\mathrm{d\ω}}_2}{dt})N_2{\mathrm{\ω}}_2\end{array}---\left(4\right)$

当e_sup＜0时，相当于主机构端的作用力小，为了实现主从关节镜像对称运动，同时不减小从机构病患关节的主动作用力大小，通过供给与从机构生成电动势反方向的电压抑制患肢关节过高的转速，这样既能够实现镜像对称运动，又可以充分调动病患关节的主动作用能力。在此种情况下，主机构和从机构的功率平衡方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1{\mathrm{\ω}}_1=(C_{T}i+T_0+J\frac{{\mathrm{d\ω}}_1}{dt})N_1{\mathrm{\ω}}_1\\ T_2{\mathrm{\ω}}_2=(C_{T}i+T_0+J\frac{{\mathrm{d\ω}}_2}{dt})N_2{\mathrm{\ω}}_2+(e_{sup}-2Ri-2L\frac{di}{dt})i\end{array}\right.---\left(5\right)$

针对以上两种情况，主机构端的转矩平衡关系同公式(2)所述；对于从机构而言，当主机构和从机构实现镜像对称运动时，ω₁＝ω₂，e_sup-2Ri-2Ldi/dt＝0，由公式(4)或公式(5)可得：

$\frac{T_2}{N_2}=C_{T}i+T_0+J\frac{{\mathrm{d\ω}}_2}{dt}---\left(6\right)$

即，只有在主机构和从机构达到镜像对称状态时，从机构的转矩平衡关系才与公式(2)相同。综上，基于主机构端的转矩平衡关系式和从机构的功率平衡关系式，根据供给能量的大小和主从电机回路的电流，可以分别计算出主机构和从机构的主动作用力矩。

实施例3

主动-阻抗训练

在此训练模式下，健肢关节和患肢关节的运动为镜像反对称关系，两关节的主动作用力分别带动主机构和从机构的电机转动，两个电机均工作在发电状态。基于左右对称的主机构和从机构，两肢体关节作用力方向以及对应关节的镜像反对称时，主从电机的转矩方向相同(均是正向转矩或是反向转矩)，由于两个电机电源端反向连接，相应的电压等效电路如图3所示，即，两个电动势分别作为反向电压提供给对侧机构，增加回路电流和对侧电机的制动力矩，进而增加相应肢体关节的作用力负担。此时，能量补偿模块的输出用来平衡电路能量损耗以及主从机构两端的作用力差异，使得两端关节主动作用力不同的情况下，仍能够实现镜像反对称运动。

针对图3，主从电机闭环电路的电压平衡方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1+e_{\sup }+e_2=2Ri+2L\frac{di}{dt}\\ e_1=C_T{N}_1{\mathrm{\ω}}_1,e_2=C_T{N}_2{\mathrm{\ω}}_2\end{array}\right.---\left(7\right)$

e₁和e₂均为电机生成电动势。当e_sup＜0时，相当于从机构的作用力小，为了实现主从关节的镜像反对称运动，通过供给与主机构生成电动势反方向的电压减小主机构提供给从机构的抑制电流，协助患肢关节提高转速。主机构和从机构的功率平衡方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1{\mathrm{\ω}}_1=(C_{T}i+T_0+J\frac{{\mathrm{d\ω}}_1}{dt})N_1{\mathrm{\ω}}_1+(e_{\sup }-2Ri-2L\frac{di}{dt})i\\ T_2{\mathrm{\ω}}_2=(C_{T}i+T_0+J\frac{{\mathrm{d\ω}}_2}{dt})N_2{\mathrm{\ω}}_2\end{array}\right.---\left(8\right)$

当e_sup＞0时，相当于主机构端的作用力小，为了实现主从关节的镜像反对称运动，通过供给与从机构生成电动势同方向的电压增大主机构提供给从机构的抑制电流，抑制患肢关节过高的转速，同时仍支持患肢施加较大的主动作用力。在此种情况下，主机构和从机构的功率平衡方程为：

$\{\begin{array}{c}{T}_1{\mathrm{\ω}}_1=(C_{T}i+T_0+J\frac{{\mathrm{d\ω}}_1}{dt})N_1{\mathrm{\ω}}_1\\ T_2{\mathrm{\ω}}_2+(e_{sup}-2Ri-2L\frac{di}{dt})i+(C_{T}i+T_0+J\frac{{\mathrm{d\ω}}_2}{dt})N_2{\mathrm{\ω}}_2\end{array}---\left(9\right)$

针对以上两种情况，基于转矩平衡关系式或是功率平衡关系式，根据供给能量的大小和主从电机回路的电流，可以分别计算出主机构和从机构的主动作用力矩。

Claims (3)

1.一种双肢镜像运动训练设备，其特征在于：包括主机构、能量补偿模块和从机构，所述的主机构含有主电机，从机构含有从电机，两个电机与能量补偿模块串联起来；主机构安装在患者的健肢关节处，从机构安装在患者的患肢关节处，所述的主机构跟着健肢关节运动而产生电能，同时根据主从关节的实际运动速度控制能量补偿模块的电能输出，该电能与主机构产生的电能相结合作为电源，驱动从机构从而带动患者患肢关节运动，实现肢体对应关节的镜像运动训练；通过能量补偿模块调整回路电流，进而增加或减小提供给从机构端的辅助作用力或是阻碍作用力，使得实现双肢体镜像运动的同时，可以充分调动患肢关节的主动运动能力。

2.根据权利要求1所述的双肢镜像运动训练设备，其特征在于：根据主从电机闭环电路的电压平衡方程、主从机构的转矩/功率平衡方程，基于能量补偿模块输出能量和闭环电流的大小，可以直接计算出双肢体对应关节的负载力或者主动作用力。

3.根据权利要求1或2所述的双肢镜像运动训练设备，其特征在于：所述的主机构和从机构设计成左右对称结构并应用相同器件，使得设备的使用不受左右肢体穿戴方向的限制，并可以通过调整主机构和从机构的相对方位，支持不同关节进行不同自由度的镜像运动训练。