CN104306143B - 一种用于康复训练的机械振动电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械电子领域，特别涉及一种应用于康复训练的振动机械电子设备。装置包括电子电路、控制系统和机械振子；电子电路包括供电模块，最小系统模块，串口通信模块，数字电位器模块和数字功放模块；控制系统包括上位机、显示器；上位机与微处理器通过串行接口连接，上位机配置有输入设备，根据输入信息控制机械振子完成不同参数的振动。装置采用PWM波的控制方式，使输出电压频率、大小发生变化，驱动所控制的机械振子实现不同频率、振幅、振动时间、振动间隔时间的变化，应用于中枢神经损伤等患者康复训练的神经刺激和动作提示。

Description

一种用于康复训练的机械振动电子装置

技术领域

本发明属于机械电子领域，特别涉及一种应用于康复训练的振动机械电子装置。

背景技术

体育运动训练和神经系统疾病的运动康复训练一直是科学研究的热点，提高运动和康复训练的效率，无论对于体育事业的发展还是康复工程的进步都有巨大的经济和社会效益。

人和动物有多种途径获取外部信息，其中重要的是感觉系统，主要包括视觉、听觉、触觉、压觉等，感知信号各自传回大脑，在大脑进行加工融合以判断外界情况。触觉是动物所具有的原始感觉，它使得生物可以感觉到外界情况，从而去适应现状、规避风险。多数动物的触觉器是遍布全身的，像人的皮肤位于人的体表，依靠表皮的游离神经末梢能感受温度等。振动的敏感性取决于振动位置、振动幅度、频率、接触面积、时间以及受试者性别、年龄、皮肤状况等。

机械振动应用研究就要集中在以下三个方面：1.体育运动训练时缓解肌肉紧张和疲劳，提高平衡性、协调性和肌肉耐力，防止骨质疏松，体感音乐能够有效缓解和放松肌肉痉挛，放松心情；2.能够有效刺激到Ia神经纤维，产生I波，有效刺激到大脑皮层运动感觉区激发运动电位，提高运动康复训练的有效性，有助于大脑皮层神经的重塑，治疗足下垂改善步态等：3.能有效刺激皮肤中的本体感受器，在触觉提示方面有很好的用途，如盲人导航、军事应用等方面。

针对目前市场上产品的现状，本发明提出了用于机械振动的一种新型系统，本发明由电子电路、机械振子、控制系统构成，采用PWM波的控制方式，使输出电压频率、大小发生变化，驱动所控制的机械振子实现不同频率、振幅、振动时间、振动间隔时间的变化，用于康复训练的神经刺激和动作提示的功能。本发明在康复训练领域特别是机械振动刺激领域将有广泛的应用前景。

发明内容

1、本发明的目的是提出一种用于康复训练的机械振动电子装置，应用于中枢神经损伤等患者康复训练的神经刺激和动作提示领域，其特征在于，包括电子电路、控制系统和机械振子；

电子电路包括供电模块，最小系统模块，串口通信模块，数字电位器模块和数字功放模块；供电模块包括电源接口甲1或电源接口乙7、稳压芯片6和串接于电源接口和稳压芯片6之间的开关2；最小系统模块包括微处理器4、地址设定开关5，地址设定开关一端接高电平，另一端连接至微处理器4的可用引脚；串口通信模块包括第一串口接口3和第二串口接口9，第一串口接口3与上位机的串行接口连接；第二串口接口9平行连接至另一电子电路中的串口接口9进行串联扩展；数字电位器模块包括数字电位器10，数字电位器10控制端通过SPI总线与微处理器4连接，数字电位器10的两个终端分别连接至地线和微处理器的PWM信号输出端口；数字功放模块包含功率放大器8和机械振子接口11，功率放大器8控制端连接至数字电位器10的滑动端，功率放大器8放大信号的输出端连接机械振子接口11；

机械振子是利用电磁继电器原理工作的机械振子12，与电子电路中的机械振子接口11相连；

控制系统包括上位机、显示器；上位机与微处理器通过串行接口连接，上位机配置有输入设备，根据输入信息控制机械振子完成不同参数的振动。

上位机通过电子电路控制机械振子实现不同频率、振幅、振动时间、振动间隔时间的机械振动完成任务，如频率在20-50Hz，振幅1.5-10mm范围内的任意值，缓解疲劳，频率80-120Hz，振幅为0.1-0.5mm范围内的任意值时刺激大脑皮层运动感觉中枢，频率200-300Hz，振幅为10-25μm范围内的任意值时时刺激触觉用于任务提示。用振动进行康复训练振动时，可以选择不同的振动频率组合实现不同的康复训练方案。比如，采用几个不同的振子，分别设定不同的振动频率，当频率在45Hz振幅5mm时，可以缓解患者的疲劳，当振动频率在250Hz振幅15μm时，可以帮助患者提示，完成训练任务。所以通过这两组振动频率振幅的组合，可以提示患者完成任务的同时缓解由于训练带来的疲劳感。

本发明的有益效果是，本发明布局合理，机械振动电子装置将可用于康复训练，通过频率和振幅的组合选择实现缓解疲劳、刺激神经、动作提示的功能；电路布置简单合理，稳定性强；机械振子响应速度快、性能良好、振动噪音小、符合人体工程学；通过频率、振幅、振动时间的选择，针对不同振动刺激的敏感性实现了不同的功能。针对患者患病早期不同的训练目标提供高效率的康复任务，踝关节的突然释放的运动方式与髋关节机构和足底往复机构相互配合，在节律性运动的基础上提供一种非节律性扰动。在训练患者相应肌肉群的同时，刺激患者与之相关联的体神经和大脑神经，使得康复训练更系统更完整。

附图说明

图1为系统功能结构框图

图2为系统电子电路模块图

图中标号：

1-电源接口甲；2-开关；3-串口接口F；4-最小系统；5-地址设定开关；6-稳压芯片；7-电源接口乙2；8-功率放大芯片；9-串口接口M；10-数字电位器；11-振子接口；12-机械振子。

具体实施方式

本发明涉及一种应用于康复训练的振动机械电子装置，下面结合具体实施例和附图对本发明作详细说明，但并不因此而限制本发明的内容。以下所称的未加其他前置限定的“装置”，均指应用于康复训练的振动机械电子装置。

图1所示，为整个装置的功能结构框图；装置包括控制系统、电子电路和机械振子；

控制系统包括上位机、显示器、输入设备；其中，上位机的存储器中配置有labview开发环境，上位机配置有串行接口，该串行接口与电子电路中的微处理器通过串行接口连接；通过labview程序根据输入信息，输出相应的控制信号。输入信息包括地址选择数据、频率选择数据和模式选择数据；地址选择用于多个电子电路级联扩展时，用以对输入的地址选择数据所对应的电子电路进行单独控制。振动频率选择用于生成PWM波的占空比改变，PWM波的频率控制振动的启动和停止，PWM波的频率、占空比均可变。上位机中预先存储了3种功能性模式及若干种基本模式，其中，功能性模式1的振动频率为20-50Hz，振幅为1.5-10mm范围内的任意值，其主要的功能是迅速缓解疲劳；功能性模式2的振动频率为80-120Hz，振幅为0.1-0.5mm范围内的任意值，其主要的功能是刺激大脑皮层运动感觉中枢；功能性模式3的振动频率为200-300Hz，振幅为10-25μm范围内的任意值，其主要的功能是刺激触觉用于任务提示。其他若干组基本模式由用户自主限定，模式设置时主要包含各个振子的振动时长、振动频率、振动占空比等。各个振子可以单独进行控制。控制系统是由上位机的labview程序控制实现的，通过串口实现与电路的通讯，控制振子的振动幅度、频率、振动时间、振动间隔时间等参数。

电子电路包括供电模块，最小系统模块，串口通信模块，数字电位器模块和数字功放模块；图2所示，为电子电路示意图，图中披露了电子电路所包含的各个模块的实际硬件信息及其对应于实际PCB板的布局信息，PCB板外形尺寸为100mm×80mm；

其中：供电模块包括电源接口甲1和/或电源接口乙7、稳压芯片6和串接于电源接口和稳压芯片6之间的开关，供电模块采用芯片将9V/DC转化为5V/DC，并采用二极管，进行防接反保护，如果外接电源接反，二极管不导通，不会烧坏系统，二极管的型号为1N5822，开关2控制电路板的通电与断电。

其中：最小系统模块包括微处理器4、地址设定开关5，地址设定开关5一端接高电平，另一端连接至微处理器4的可用引脚，地址设定开关5通过拨档开关，进行设定系统的地址，当电路板通过串口串联时，通过拨档开关的排列组合形成不同的地址，控制不同的电路板进行工作。在验证设计中，微处理器4的型号可选择ATMEGA16，微处理器能够选择不同的地址来控制不同的振子，同时最主要功能是实时接收工控机发出的串口指令，及时的改变控制参数，调整振动频率、振幅、振动时间以及间隔时间。地址设定开关5的型号可选择4位拨档开关作为地址设定开关5，故而能寻址的地址范围为2⁴个，即16个。通过地址设定开关5选择驱动的电路板，控制板上的机械振子12或13不同的振动皮率、振幅、振动时间，振动间隔时间等参数工作，完成不同的任务要求如缓解疲劳、刺激神经核动作提示等。

其中：串口通信模块包括第一串口接口3和第二串口接口9，第一串口接口3与上位机的串行接口连接；第二串口接口9平行连接至另一电子电路中的串口接口3进行串联扩展，串联扩展时，前一个电子电路中的第一串口接口3连接至上位机串行口，前一个电子电路中的第二串口接口9连接至后一个电子电路中的第一串口接口3，如此串行连接。串接的最大数量不超过拨档开关所限定的寻址范围。同时，串口通信模块完成TTL电平和232电平的转换。

其中：数字电位器模块包括数字电位器10，数字电位器10的变阻端与功率放大器8的控制端连接，数字电位器10的两个电阻终端分别连接至地线和微处理器的PWM信号输出端口。改变数字电位器的电阻改变振子两端的电压，从而改变振子的振幅。振动过程可分成两个时期：振动期和间隔期；PWM波的输入时间长度决定振子的振动时间长度，当需要振子振动时输入PWM波，当要切断振动时，停止PWM波的输入，所以通过输入和中断PWM波可以完成振动时间长度的控制。在振动期内，通过改变PWM波的占空比可以改变振子的振动频率。在验证设计中，数字电位器10的型号为MCP41010，1个电子电路中配置4个数字电位器。

其中：数字功放模块包含功率放大器8和机械振子接口11，功率放大器8控制端连接至数字电位器10的滑动端，功率放大器8将数字电位器10的输出信号放大后，再经由输出端连接机械振子接口11，可以直接驱动振子振动。在验证设计中，功率放大器8的型号为TPA2000D2，2片TPA2000D2能驱动4路振子，经过完全串联扩展后能够独立驱动的最大振子数量为64路。使用的功率放大器TPA2000D2能够不增加成本的基础上得到较低的失真度和较高的信噪比，使输入信号更准确控制振子振动。

机械振子是利用电磁继电器原理工作的机械振子12，与电子电路中的机械振子接口11相连。机械振子直径30mm，厚度8mm。机械振子是由线圈、衔铁、弹簧片、触点等组成的，通过线圈得电和失电实现衔铁的吸合、释放，从而达到了在机械振动的效果，可以实现的频率范围是0-300Hz。

一种基于上述装置的康复训练方法，包含以下步骤：

步骤1：根据康复训练位置，选择1～64之间任意整数个机械振子，振子的振动模式彼此独立，互不干扰；

步骤2：将机械振子置于需要进行康复训练的部位。

步骤3：通过上位机，独立选择各个机械振子的振动频率、振幅、振动时间和振动时间间隔，或者直接选择上位机中已设定好的振动模式；已设定好的振动模式包括模式1、模式2和模式3，模式1的振动频率为20-50Hz，主要康复功能为缓解疲劳；模式2的振动频率为80-120Hz，主要康复功能为刺激大脑皮层运动感觉中枢；模式3的振动频率为200-300Hz，主要康复功能为刺激触觉用于任务提示；

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种用于康复训练的机械振动电子装置，其特征在于：包括电子电路、控制系统和机械振子；

所述电子电路包括供电模块，最小系统模块，串口通信模块，数字电位器模块和数字功放模块；供电模块包括电源接口甲(1)、电源接口乙(7)、稳压芯片(6)和串接于电源接口甲(1)和稳压芯片(6)之间的开关(2)；最小系统模块包括微处理器(4)、地址设定开关(5)，地址设定开关一端接高电平，另一端连接至微处理器(4)的可用引脚；串口通信模块包括第一串口接口(3)和第二串口接口(9)，第一串口接口(3)与上位机的串行接口连接；第二串口接口(9)平行连接至另一电子电路中的串口接口(9)进行串联扩展；数字电位器模块包括数字电位器(10)，数字电位器(10)控制端通过SPI总线与微处理器(4)连接，数字电位器(10)的两个终端分别连接至地线和微处理器的PWM信号输出端口；数字功放模块包含功率放大器(8)和机械振子接口(11)，功率放大器(8)控制端连接至数字电位器(10)的滑动端，功率放大器(8)放大信号的输出端连接机械振子接口(11)；

所述机械振子是利用电磁继电器原理工作的机械振子(12)，与电子电路中的机械振子接口(11)相连；

所述控制系统包括上位机、显示器；上位机与微处理器通过串行接口连接，上位机配置有输入设备，根据输入信息控制机械振子完成不同参数的振动。