CN107049708A - 下肢康复训练机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种下肢康复训练机，包括机械结构单元和控制单元，机械结构单元包括基座支架、步态控制电机、安装在步态控制电机的输出端的主动链轮及通过传动链与主动链轮传动连接的从动链轮，从动链轮上两侧分别安装有曲柄，两个曲柄的远离从动链轮的轴心的一端分别铰接设置有连杆，连杆的远离曲柄的一端分别安装有能够转动的滚轮，连杆上分别安装有脚踏板；控制单元包括单片机及外围电路，控制单元的信号输出端通过调速器连接至步态控制电机。该训练机用于促进使用者的下肢康复，并通过单片机对电机进行调速控制，可根据使用者的不同阶段的康复需求调整步伐频率，整体结构可靠，运行平稳，仿真性好，适于在下肢康复中推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及康复训练设备，特别是涉及一种下肢康复训练机。
背景技术
全球范围来讲，随着科技的不断进步，医疗卫生事业也不断在发展进步，人们的寿命在整体上延长了，许多发达国家已经逐步进入了老龄社会。我国于2003年已经步入了老龄社会(按照国际惯例60岁以上为老年人，占人口比例达到10％以上或者65岁老人占人口比例7％以上即开始进入老龄社会)截至2008年6月，中国60岁及以上的老年人口总数已达1.49亿占我国总人口的11.5％，占全球老年人口的21.4％，居世界首位。这也带来了一定的负面影响，随着我国人口老龄化的加剧，中风及其它一些造成人体腿部神经损伤的疾病越来越多的影响到老年人的生活，造成老年人的下肢瘫痪，给社会和家庭带来了很重的负担。在我国60岁以上的老年人中，一半的人都有骨关节炎的表现，其中有四分之一的人症状明显，上楼时会感觉腿疼。这些疾病的出现给他们的日常生活带来了许多不便。
运动再学习康复理论研究表明，重复性特定功能训练能有效促进因神经系统疾病(如脑卒中、脊髓损伤、颅脑外伤、多发硬化、帕金森病)造成的运动障碍患者的神经功能的重组和代偿，促进患者运动功能康复。传统的运动康复训练治疗，医护人员不仅劳动强度大，而且很难保证实现稳定的持续性运动训练。利用训练机在提供长期、稳定的重复训练等方面的优势，自上个世纪90年代起，国内对康复训练机器人技术进行了大量的探索和研究，并开发出各种康复训练产品，临床应用取得了积极的效果。康复训练机用于辅助患者完成步态康复训练，国外在下肢康复训练机的机构及控制策略等方面做了较多研究，有些产品已经投入临床使用。
康复训练机的主要功能是帮助有运动障碍的病人完成各种运动功能恢复训练，下肢康复训练机器人主要针对下肢有运动障碍的病人，它是根据康复医学理论和人机合作机器人原理，通过一套计算机控制下的步姿模拟控制系统，使患者模拟正常人的步伐规律进行康复训练运动，锻炼下肢的肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力，达到恢复走路机能的目的。
康复训练机是最近十几年来迅速发展起来的一门新兴技术，是机械人技术在医学领域的新应用。国外的康复训练机器人研究比较发达，而国内康复训练机器人的研究如今还处于起步阶段。因此下肢康复训练机器人的研究对于国内康复训练机器人的发展有着积极的意义。
下肢康复训练机通过模拟正常人在行走过程中的运动轨迹，对下肢运动有障碍的患者进行康复训练。本课题主要研究内容包括正常人标准步态的获取与分析、人体模型的动力学分析、下肢康复训练机器人的结构设计和下肢康复训练机器人的运动学分析及仿真。
发明内容
本发明实施例提供一种下肢康复训练机，能够仿真模拟步行步态，通过单片机可靠控制，训练机结构稳定，仿真性好，适于在下肢康复中推广应用。
下肢康复训练机，包括机械结构单元和控制单元，所述的机械结构单元包括基座支架、设置在所述的基座支架上的步态控制电机、安装在所述的步态控制电机的输出端的主动链轮及通过传动链与所述的主动链轮传动连接的从动链轮，所述的从动链轮上轴向的两侧分别固定安装有曲柄，两个所述的曲柄水平面内的投影呈中心对称，两个所述的曲柄的远离所述的从动链轮的轴心的一端分别铰接设置有连杆，所述的连杆的远离所述的曲柄的一端分别安装有能够转动的滚轮，所述的连杆上分别安装有脚踏板；所述的控制单元包括单片机及外围电路，所述的控制单元的信号输出端通过调速器连接至步态控制电机。
优选地，所述的基座支架上设置有一对第一支撑座，所述的步态控制电机的输出端通过一对圆锥滚子轴承安装在一对所述的第一支撑座上。
优选地，所述的基座支架上设置有一对第二支撑座，两个所述的曲柄及所述的从动链轮均固定安装在一个横轴上，所述的横轴通过一对圆锥滚子轴承安装在一对所述的第二支撑座上。
优选地，所述的外围电路包括时钟电路、复位电路、行程开关接口，串口电平转换电路及PWM信号调理电路。
优选地，所述的连杆上分别设置有限位槽，所述的限位槽内分别设置有铰接轴，所述的脚踏板分别铰接安装在对应的所述的铰接轴上。
优选地，所述的脚踏板的上表面设置有防滑凸棱。
本发明的下肢康复训练机通过电机、曲柄及连杆驱动脚踏板仿真模拟人行走步态，以促进使用者的下肢康复，并通过单片机对电机进行调速控制，可根据使用者的不同阶段的康复需求调整步伐频率，整体结构可靠，运行平稳，仿真性好，适于在下肢康复中推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的下肢康复训练机的机械结构的主视图(部分剖视)；
图2为本发明实施例提供的下肢康复训练机的机械结构的俯视图(部分剖视)；
图3为本发明实施例提供的下肢康复训练机的运行控制图；
图4为本发明实施例提供的下肢康复训练机的控制单元的原理框图。
附图标记说明：
1-基座支架，2-步态控制电机，3-主动链轮，4-从动链轮，5-曲柄，6-连杆，7-滚轮，8-脚踏板，9-第一支撑座，10-第二支撑座，11-限位槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图4所示，一种下肢康复训练机，包括机械结构单元和控制单元，所述的机械结构单元包括基座支架1、设置在所述的基座支架1上的步态控制电机2、安装在所述的步态控制电机2的输出端的主动链轮3及通过传动链与所述的主动链轮3传动连接的从动链轮4，所述的从动链轮4上轴向的两侧分别固定安装有曲柄5，两个所述的曲柄5水平面内的投影呈中心对称，两个所述的曲柄5的远离所述的从动链轮4的轴心的一端分别铰接设置有连杆6，所述的连杆6的远离所述的曲柄5的一端分别安装有能够转动的滚轮7，所述的连杆6上分别安装有脚踏板8；所述的基座支架1上设置有一对第一支撑座9，所述的步态控制电机2的输出端通过一对圆锥滚子轴承安装在一对所述的第一支撑座9上，所述的基座支架1上设置有一对第二支撑座10，两个所述的曲柄5及所述的从动链轮4均固定安装在一个横轴上，所述的横轴通过一对圆锥滚子轴承安装在一对所述的第二支撑座10上，所述的连杆6上分别设置有限位槽11，所述的限位槽11内分别设置有铰接轴，所述的脚踏板8分别铰接安装在对应的所述的铰接轴上，所述的脚踏板8的上表面设置有防滑凸棱；所述的控制单元包括单片机及外围电路，所述的控制单元的信号输出端通过调速器连接至步态控制电机，所述的外围电路包括时钟电路、复位电路、行程开关接口，串口电平转换电路及PWM信号调理电路；该训练机的控制单元的上位机负责系统管理、人机对话，实时监控患者的生理反馈，协调多控制系统；下位从单片机作为控制系统的执行级控制，实现步态伺服控制和姿态伺服控制。上位机采用ATMEL公司的AVR系列单片机AT90S2313，上位机的任务包括命令输入，状态显示，与下位机接口，给步态系统发命令等，同时作为主单片机与PC机之间进行串口通讯。下位从单片机也采用AT90S2313单片机，其主要任务是执行姿态系统的控制。PC机通过串行通信接口与上位的单片机进行通信，可以实现下肢康复训练机的单片机自主控制和PC机控制两种方式，上位机接受PC机的控制指令或自主控制电机驱动电路以实现所要求的功能，PC机可以实现下肢康复训练机的远程在线控制，进行训练效果监测；控制系统还包括直流稳压电源，显示与键盘接口，通讯接口，单片机，步态交流电机，脚踝关节姿态控制直流伺服电机，步态控制交流调速器，位置和速度传感器等。交流电机(步态)和直流伺服电机(姿态)在单片机的控制下进行速度、位置和角度的协调控制，以适应不同状态的康复训练。控制单片机与执行机构之间经过调速器，PWM信号调理电路，其中光电耦合电路，用于减少干扰，并对信号进行整形滤波；PC机通过串行通信接口与上位AVR单片机AT90S2313进行通信，PC机发出控制指令传给AT90S2313，AT90S2313产生的PWM信号经过信号调理电路，产生电机调速系统所需的。0～10V的输入电压，进而实现步态系统的调速控制。AT90S2313的外围电路包括时钟电路、复位电路、行程开关接口，串口电平转换电路、PWM信号调理电路。串行通信接口标准采用RS-232C标准，单片机的串行口经过MAX232芯片转换成为RS-232C标准电平，在PC机和AVR90S2313系列单片机之间传送数据。信号调理电路包括光电隔离电路，整形电路，T形滤波电路三部分。电机调速系统采用交流电机调速器进行调速。AVR单片机是ATMEL公司将闪速存储技术应用于单片机产品所推出的FLASH单片机，它采用低功率、非挥发的CMOS工艺制造，通过SPI口和一般的编程器，可以对AVR单片机的FLASH存储器进行编程。本控制驱动系统使用的是AT90S2313型AVR单片机，它是基于新的精简指令RISC结构的。这种结构是在90年代开发出来的，综合了半导体集成技术和软件性能的新结构。上述的单片机采用AT90S2313，其是AVR增强性能RISC结构的低功耗COMS技术八位微控制器。该结构有效的支持高级语言，以及密集度极大的汇编代码程序。该单片机具有以下特征:120条功能强大的指令；2K字节可下载的Flash存储器；128字节EEPROM；128字节内部RAM；15条可编程I/0线；32个8位通用寄存器；内部及外部中断，片内模拟比较器，带有一个8位可预分频的定时器/计数器，带有比较和捕获模式的16位预分频的定时器/计数器，全双工UART，可选择的8位、9位或10位PWM，外部和内部中断源，可编程看门狗和片内晶振器；一个为下载程序而设计的串行口，以及2个可通过软件选择的电源保留模式。
综上，该下肢康复训练机通过电机、曲柄及连杆驱动脚踏板仿真模拟人行走步态，以促进使用者的下肢康复，并通过单片机对电机进行调速控制，可根据使用者的不同阶段的康复需求调整步伐频率，整体结构可靠，运行平稳，仿真性好，适于在下肢康复中推广应用。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.下肢康复训练机，其特征在于，包括机械结构单元和控制单元，所述的机械结构单元包括基座支架、设置在所述的基座支架上的步态控制电机、安装在所述的步态控制电机的输出端的主动链轮及通过传动链与所述的主动链轮传动连接的从动链轮，所述的从动链轮上轴向的两侧分别固定安装有曲柄，两个所述的曲柄水平面内的投影呈中心对称，两个所述的曲柄的远离所述的从动链轮的轴心的一端分别铰接设置有连杆，所述的连杆的远离所述的曲柄的一端分别安装有能够转动的滚轮，所述的连杆上分别安装有脚踏板；所述的控制单元包括单片机及外围电路，所述的控制单元的信号输出端通过调速器连接至步态控制电机。
2.如权利要求1所述的下肢康复训练机，其特征在于，所述的基座支架上设置有一对第一支撑座，所述的步态控制电机的输出端通过一对圆锥滚子轴承安装在一对所述的第一支撑座上。
3.如权利要求1所述的下肢康复训练机，其特征在于，所述的基座支架上设置有一对第二支撑座，两个所述的曲柄及所述的从动链轮均固定安装在一个横轴上，所述的横轴通过一对圆锥滚子轴承安装在一对所述的第二支撑座上。
4.如权利要求1所述的下肢康复训练机，其特征在于，所述的外围电路包括时钟电路、复位电路、行程开关接口，串口电平转换电路及PWM信号调理电路。
5.如权利要求1所述的下肢康复训练机，其特征在于，所述的连杆上分别设置有限位槽，所述的限位槽内分别设置有铰接轴，所述的脚踏板分别铰接安装在对应的所述的铰接轴上。
6.如权利要求1或5所述的下肢康复训练机，其特征在于，所述的脚踏板的上表面设置有防滑凸棱。
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