CN107595548B - 用于人体康复训练中自动固定装置及康复训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构简单且采用模块化设计思想，可在人体康复训练中用于人体自动固定的装置及方法，其特征是：包括框架，框架内底部设有交流伺服电机，框架内底部中间设有站立平台，交流伺服电机的输出轴分别通过柔索与站立平台连接，框架顶部还架设有铝合金型材，铝合金型材位于站立平台正上方，铝合金型材与站立平台之间竖直连接有左、右侧人体支撑机构，左、右侧人体支撑机构与康复人体相固定，左、右侧人体支撑机构内设有交流伺服电机、肌肉电信号传感器，根据人体在康复过程中的肌肉电信号反馈，由工控机处理分析后，通过控制信号调整交流伺服电机状态，从而带动左、右侧人体支撑机构发生形变，实现人体康复训练。本发明方法结构简单，且具有良好的减震效果，有效的避免的对人体的二次伤害，在末端固定装置上设有肌电传感器，能够实时监测人体康复情况，能够配合工控机等控制部件实现人体康复训练。

Description

用于人体康复训练中自动固定装置及康复训练方法

技术领域

本发明涉及医疗康复训练器械领域，具体是一种用于人体康复训练中自动固定装置及康复训练方法。

背景技术

当前生活中，由于意外事故或突发疾病导致腰部、大腿膝盖部、脚踝关节部位运动障碍的患者日渐增加，而老式、传统的康复治疗主要依靠康复医疗师的陪同治疗，其治疗效率低，治疗成本高，因此人们对腰部及以下关节的康复训练有了进一步的要求。中国专利申请号201410491844.0公开了一种利用气动人工肌肉驱动腰部弯腰康复训练的六自由度并联腰部康复训练装置，从机械设计上实现了腰部的康复训练。申请号201510189821.9公开了一种腰部康复训练连接装置及控制方法，就一种利用气动人工肌肉驱动腰部弯腰康复训练的六自由度并联腰部康复训练装置的腰部固定，进行了改进，采用模块化的思路设计了四个腰部康复单元，但是其作用功能单一，成本较高，且只实现了单纯的腰部固定，给患者康复过程造成了安全隐患，其次，采用压力传感器作为信号采集装置，测量人体运动情况具有一定的测量误差，且不能真实反映人体康复状态。申请号201510348989X公开了用于腰部康复训练中的下肢自动调节平台及训练方法。尽管该申请的设备结构与技术方案有创新性，但在临床试验中存在问题如下：

首先：患者站立于平台之上，由平台向上固定患者腿部，患者上半身处于自由状态，这不利于患者在复杂的康复训练过程中保持身体各方面的协调性，容易造成二次伤害；

其次，该申请设备与运动平台采用固定连接，无可活动关节，这一设计不利于患者脚步踝关节活动，容易导致因运动过程中踝关节卡死而导致二次伤害；

再者：该申请设备的活动关节处采用转动副链接，只能实现脚步各关节处单自由度运动，对康复运动设计造成了一定的限制；

最后：整体设计装置无法实现人体康复状态与计算机控制系统的实时交互，无法根据人体所处的实际情况，制定及时有效的运动方式；为此，有必要对该申请的机械结构进一步改进。

发明内容 本发明的目的是提供一种用于人体康复训练中自动固定装置及康复训练方法，以解决腰部康复训练装置中康复患者固定问题，以及辅助实现各关节选择性康复。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

用于人体康复训练中自动固定装置，其特征在于：包括立向设置的框架，框架内底部四角位置分别设有交流伺服电机，框架内底部中间设有站立平台，每个交流伺服电机的输出轴分别通过向上绕过框架顶部滑轮再向下延伸的柔索与站立平台连接，所述框架顶部还架设有铝合金型材，铝合金型材位于站立平台正上方，铝合金型材与站立平台之间竖直连接有左、右侧人体支撑机构，左、右侧人体支撑机构结构相同，每侧人体支撑机构从上至下分别包括腰部固定模块、大腿固定模块、小腿固定模块，其中腰部固定模块上端与铝合金型材连接，腰部固定模块下端依次通过腰部关节活动单元、大腿关节活动单元与大腿固定模块上端连接，大腿固定模块下端通过小腿关节活动单元与小腿固定模块上端连接，小腿固定模块下端与站立平台连接，腰部固定模块、大腿固定模块、小腿固定模块的内侧分别连接有身体部位固定单元。

所述的用于人体康复训练中自动固定装置，其特征在于： 所述腰部固定模块、大腿固定模块、小腿固定模块均由尺寸调节单元构成，尺寸调节单元包括竖直设置的尺寸调节模块铝合金外框架，以及从尺寸调节模块铝合金外框架上端竖直滑动安装在尺寸调节模块铝合金外框架中的尺寸调节模块铝合金内框架，尺寸调节模块铝合金外框架内底部通过电机固定板竖直安装有尺寸调节步进电机，尺寸调节步进电机输出轴竖直向上，且尺寸调节步进电机输出轴通过双膜片联轴器共中心轴传动连接有滚珠丝杠，滚珠丝杠上端转动连接在尺寸调节模块铝合金外框架顶部，尺寸调节模块铝合金内框架底部框板设有滚珠螺母后构成滚珠螺母固定板，且尺寸调节模块铝合金内框架底部框板通过滚珠螺母螺纹装配在滚珠丝杠上构成丝杠螺母副，尺寸调节模块铝合金外框架内位于双膜片联轴器一侧还设有激光测距传感器；

所述腰部固定模块中，尺寸调节模块铝合金内框架上端与铝合金型材连接，尺寸调节模块铝合金外框架下端依次通过腰部关节活动单元、大腿关节活动单元与大腿固定模块中的尺寸调节模块铝合金内框架上端连接，大腿固定模块中的尺寸调节模块铝合金外框架下端通过小腿关节活动单元与小腿固定模块中的尺寸调节模块铝合金内框架上端连接，小腿固定模块中的尺寸调节模块铝合金内框架下端与站立平台连接。

所述的用于人体康复训练中自动固定装置，其特征在于：所述腰部关节活动单元包括水平的腰部转动副步进电机固定板、位于腰部转动副步进电机固定板下方的水平的腰部转动副上板、通过转轴转动连接在腰部转动副上板底面的腰部转动副下板，所述腰部转动副步进电机固定板顶面与腰部固定模块中尺寸调节模块铝合金外框架下端固定连接，腰部转动副步进电机固定板底面通过连接架与腰部转动副上板顶面固定连接，腰部转动副步进电机固定板中设有腰部转动副步进电机，腰部转动副步进电机的输出轴轴端与腰部转动副下板的转轴对应端之间通过大带轮传动模块传动连接，腰部转动副上板与大带轮传动模块相反方向的一侧还通过转轴转动安装有腰部卡板，腰部转动副上板顶面设有卡板舵机，卡板舵机的输出轴通过卡板带传动模块与腰部卡板的转轴传动连接，所述腰部转动副下板底部、腰部卡板下端分别连接至大腿关节活动单元。

所述的用于人体康复训练中自动固定装置，其特征在于：所述大腿关节活动单元包括水平的鱼眼接头连杆固定板、转动轴固定板，以及中心轴水平的鱼眼接头连杆转轴、中心轴竖直的鱼眼接头连杆，所述鱼眼接头连杆转轴固定安装在转动轴固定板顶面，鱼眼接头连杆下端转动安装在鱼眼接头连杆转轴上，鱼眼接头连杆上端与鱼眼接头连杆固定板固定连接，所述鱼眼接头连杆固定板顶面与腰部关节活动单元中腰部转动副下板底部固定连接，转动轴固定板底部与大腿固定模块中尺寸调节模块铝合金内框架上端固定连接，转动轴固定板一侧还设有卡块，所述腰部关节活动单元中腰部卡板下端设有卡在卡块上的卡口。

所述的用于人体康复训练中自动固定装置，其特征在于：所述小腿关节活动单元包括水平的卡板舵机固定板、鱼眼接头连杆固定板、转动轴固定板，以及中心轴水平的鱼眼接头连杆转轴、中心轴竖直的鱼眼接头连杆，其中卡板舵机固定板顶部与大腿固定模块中尺寸调节模块铝合金外框架下端固定连接，卡板舵机固定板中设有卡板舵机，转动轴固定板底部与小腿固定模块中尺寸调节模块铝合金内框架上端固定连接，鱼眼接头连杆转轴固定在转动轴固定板顶部，鱼眼接头连杆下端转动安装在鱼眼接头连杆转轴上，鱼眼接头连杆上端与鱼眼接头连杆固定板固定连接，鱼眼接头连杆固定板通过螺栓与卡板舵机固定板固定连接，还包括设置在卡板舵机固定板一侧的卡板，卡板上端与卡板舵机的输出轴固定连接，卡板下端延伸至小腿固定模块中尺寸调节模块铝合金内框架上端，小腿固定模块中尺寸调节模块铝合金内框架上端一侧设有卡头，所述卡板下端设有卡在卡头上的卡口。

所述的用于人体康复训练中自动固定装置，其特征在于：所述身体部位固定单元包括竖直的人体固定装置固定板，人体固定装置固定板背面分别固定在腰部固定模块、大腿固定模块、小腿固定模块中尺寸调节模块铝合金外框架内侧，人体固定装置固定板中设有竖直的滑槽，滑槽中滑动安装有人体固定装置活动块，且人体固定装置活动块与滑槽的上、下端槽壁之间分别连接有人体固定装置弹簧，人体固定装置活动块正面连接有呈半环形的身体部位固定器，身体部位固定器的两端内壁分别设有肌电信号传感器。

一种人体康复训练方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：令工控机、尺寸调节单元，腰部关节活动单元内的各电机上电，初始化小腿关节活动单元、大腿关节活动单元内的各舵机，初始化尺寸调节单元内的激光测距传感器，初始化身体部位固定单元中的肌电信号采集模块；

步骤二：向工控机上输入患者大小腿长度、身高及腰部位置信息，向工控机上预设所需要康复模块，可选择脚踝康复、膝关节康复、大腿关节康复、腰部关节康复；

步骤三：患者站立于站立平台之上，根据步骤二中输入的患者腿部、腰部、身高信息，首先控制小腿固定模块中的尺寸调节单元中电机进行运动，带动滚珠丝杠机构运动，从而使得尺寸调节模块铝合金外框架与尺寸调节模块铝合金内框架间相对位置发生改变，将小腿模块调整至患者需要长度，并使得小腿关节活动单元与患者膝盖关节处于同一平面内，调整过程由激光测距传感器实时测量距离信息，并及时反馈给工控机，结合电机反馈信息，保证尺寸调节的准确性；

步骤四：大腿固定模块的调节过程与步骤三相同，身高及腰部位置的调节主要由腰部固定模块中的尺寸调节单元完成，调节过程与步骤三相同；

步骤五：将腰部固定模块、大腿固定模块、小腿固定模块中的身体部位固定单元上的身体部位固定器分别绑在患者的小腿、大腿、腰部位置，使得肌电信号传感器与人体小腿处比目鱼肌、腓肠肌，人体大腿处股二头肌、股四头肌，人体腰部位置阔背肌、腹直肌等肌肉部位紧密贴合，保证测电硅胶头粘附在身体皮肤之上；

步骤六：根据步骤二中输入的康复模式，即脚踝康复、膝关节康复、大腿关节康复、腰部关节康复等康复模式，工控机驱动小腿关节活动单元、大腿关节活动单元中的卡板舵机运动，带动卡板运动，卡板上设有卡槽，与相应关节位置卡头相互配合，将关节卡死，根据患者选择情况，若只需对踝关节进行康复，可调节卡板舵机，将小腿关节、大腿关节卡死，通过患者站立平台的运动，带动患者脚踝关节运动，若需要进行膝盖关节康复，可将大腿关节卡死，通过患者站立平台的运动，带动患者膝盖关节运动，若需要进行腰部关节康复或大腿关节康复，可将小腿关节卡死，通过患者站立平台的运动，带动患者腰部、大腿关节运动；

步骤七：由工控机控制交流伺服电机旋转，带动柔索发生伸缩运动，实现患者站立平台的运动，实现人体各关节的康复训练，通过固定在人体小腿、大腿、腰部各肌肉上的肌电信号传感器，实时测量人体肌肉电信号，并反馈给工控机，工控机根据程序设定，对比接收到肌肉信号信息与健康人体肌肉电信号信息之间的区别，灵活调整交流伺服电机旋转角度与旋转速度，实现对患者康复运动过程中，康复状况的实时反馈，并根据工控机控制信号，及时有效的反馈给交流伺服电机，实现运动轨迹的灵活调整功能；

步骤八：根据患者对康复过程的选择，如需腰部辅助康复，可执行步骤八，首先调节腰部固定模块上的尺寸调节单元，使得腰部关节活动单元位于患者腰部，腰部关节活动单元中，腰部转动副步进电机通过大带轮传动模块，将旋转运动传递至腰部转动副下板，实现腰部关节的运动，当患者腰部肌肉受到损害，又需要康复膝盖、脚踝关节时，可将腰部关节旋转90°，形成座椅状，辅助支撑人体，使得患者能够以坐姿完成腿部康复训练，极大的减小了患者康复过程中二次伤害的概率；

步骤九：康复训练完成，手动接触患者小腿、大腿、腰部约束，令患者走下站立平台103；

步骤十：令各功能部件复位，关闭交流伺服电机，关闭腰部转动副步进电机，关闭肌电信号传感器、激光测距传感器，关闭工控机电源。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1.本发明装置中，上端与整个康复设备固定，并采用了左右镜像对称的设计结构，从患者的左右两侧固定患者，并在患者的腰部、大腿部位、小腿部位都设置了固定夹紧装置，使得患者全身与腰部训练装置联结为一体，使得患者在康复训练过程中，身体各部位协调性得到了更大的改善，防止由于运动轨迹突变导致患者重心偏移而造成的二次伤害。

2.本发明装置中，患者全身与腰部训练装置联结为一体，腰部、大腿、小腿可随站立平台运动，装置最下部与患者康复站立平台之间无固定连接，可实现人体脚踝关节的康复训练动作，也增加了患者在康复训练过程中的柔韧性，防止由于患者与康复装置运动机构之间的刚性连接而给患者导致的二次伤害。

3.本发明装置中，小腿关节活动单元900，大腿关节活动单元1000的转动关节处，采用鱼眼接头连杆连接的结构形式，可实现关节部位多平面转动，最大限度的符合了人体关节的运动形式，给人体康复过程中，多康复动作协同运动的实现，创造了可能性。

4.本发明装置中，在小腿关节活动单元900，大腿关节活动单元1000处，都设置有卡板舵机、卡板、卡板头，可实现关节卡死，这将有利于患者在康复运动中有选择性、目的性的选择康复关节，防止在康复过程中由于多关节多自由度，所造成的运动轨迹失真现象，该发明能更加有效的执行康复师所指定的康复运动。

5.本发明装置中，在身体部位固定单元700中设置有弹簧链接结构，使得患者腰部、大腿、小腿与腰部康复训练中人体固定机构之间的固定非刚性固定，当康复运动与患者肢体放生大规模冲突时，可起到缓冲作用，极大保证的患者的身体安全，防止患者二次伤害。

6.本发明装置中，在身体部位固定单元700中设置有肌电信号传感器705，可实时采集人头肌肉信息，患者康复过程中，极大部分是对患者特定关节处肌肉进行康复，采用肌电信号传感器705，可直接采集人体肌肉信息，这将更加准确的分析判断出患者康复情况。

7.本发明装置中，在身体部位固定单元700中设置有肌电信号传感器705，可将采集到信息实时反馈至工控机，通过算法处理，及时反馈给交流伺服电机，通过交流伺服电机运动角度、运动速度的变化调节，实现患者站立平台运动轨迹的变化，及时根据患者康复情况，调整康复动作。

本发明在结构上的优点还体现在如下方面：

1.本发明在尺寸调节单元的设计上，采用了滚珠丝杠结构，摩擦损失小，传动效率高能够极大限度的降低能量损耗，并且其精度高，能准确的实现各部位长度的变化。

2.本发明在尺寸调节单元的设计上，采用了模块化的设计思路，腰部固定模块400、大腿固定模块500、小腿固定模块600，均采用相同的尺寸调节单元，这给设备的调控、更换、维护带来了极大便利。

3.本发明中，腰部固定模块400中的腰部关节活动单元1100，可进行90°转动，使得人体康复训练中人体固定装置呈现座椅状，极大的利于人体康复训练的执行。

4.本发明中，腰部固定模块400、大腿固定模块500、小腿固定模块600上的身体部位固定单元700，采用相同的结构形式，这给设备的调控、更换、维护带来了极大便利。

5.本发明中，整体人体康复训练中人体固定装置各部位采用模块化的设计思路，通过螺栓与长螺母相互链接，便于设备的拆卸、调整、维修等操作，同时也节约了设计、制作、维修成本。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为人体支撑机构示意图。

图3为人体支撑机构主视图。

图4为身体部位固定单元示意图。

图5为小腿关节活动单元示意图。

图6为大腿关节活动单元示意图。

图7为腰部关节活动单元示意图。

图8为尺寸调节单元示意图。

图9为本发明系统控制流程图。

图中，铝合金型材100，柔索101，交流伺服电机102，站立平台103，左人体支撑机构200，右人体支撑机构300，腰部固定模块400、大腿固定模块500、小腿固定模块600，身体部位固定单元700，人体固定装置固定板701，人体固定装置活动块702，身体部位固定器703，人体固定装置弹簧704，肌电信号传感器705，尺寸调节单元800，尺寸调节步进电机801，电机固定板802，激光测距传感器803，双膜片联轴器804，滚珠丝杠805，滚珠螺母固定板806，尺寸调节模块铝合金外框架807，尺寸调节模块铝合金内框架808，小腿关节活动单元900，转动轴固定板901，鱼眼接头连杆转轴902，鱼眼接头连杆903，鱼眼接头连杆固定板904，卡板舵机固定板905，卡板舵机906，卡板907，大腿关节活动单元1000，转动轴固定板1001，鱼眼接头连杆转轴1002，鱼眼接头连杆1003，鱼眼接头连杆固定板1004，腰部关节活动单元1100，腰部转动副下板1101，腰部转动副上板1102，大带轮传动模块1103，腰部转动副步进电机1104，腰部转动副步进电机固定板1105，卡板舵机1106，卡板带传动模块1107，腰部卡板1108。

具体实施方式

如图1-图8所示，用于人体康复训练中自动固定装置，包括立向设置的框架，框架内底部四角位置分别设有交流伺服电机102，框架内底部中间设有站立平台103，每个交流伺服电机102的输出轴分别通过向上绕过框架顶部滑轮再向下延伸的柔索101与站立平台103连接，框架顶部还架设有铝合金型材100，铝合金型材100位于站立平台103正上方，铝合金型材100与站立平台103之间竖直连接有左、右侧人体支撑机构200、300，左、右侧人体支撑机构结构200、300相同，每侧人体支撑机构从上至下分别包括腰部固定模块400、大腿固定模块500、小腿固定模块600，其中腰部固定模块400上端与铝合金型材100连接，腰部固定模块400下端依次通过腰部关节活动单元1100、大腿关节活动单元1000与大腿固定模块500上端连接，大腿固定模块500下端通过小腿关节活动单元900与小腿固定模块600上端连接，小腿固定模块600下端与站立平台103连接，腰部固定模块400、大腿固定模块500、小腿固定模块600的内侧分别连接有身体部位固定单元700。

如图8所示，腰部固定模块400、大腿固定模块500、小腿固定模块600均由尺寸调节单元800构成，尺寸调节单元800包括竖直设置的尺寸调节模块铝合金外框架807，以及从尺寸调节模块铝合金外框架807上端竖直滑动安装在尺寸调节模块铝合金外框架807中的尺寸调节模块铝合金内框架808，尺寸调节模块铝合金外框架807内底部通过电机固定板802竖直安装有尺寸调节步进电机801，尺寸调节步进电机801输出轴竖直向上，且尺寸调节步进电机801输出轴通过双膜片联轴器804共中心轴传动连接有滚珠丝杠805，滚珠丝杠805上端转动连接在尺寸调节模块铝合金外框架807顶部，尺寸调节模块铝合金内框架808底部框板设有滚珠螺母后构成滚珠螺母固定板806，且尺寸调节模块铝合金内框架808底部框板通过滚珠螺母螺纹装配在滚珠丝杠805上构成丝杠螺母副，尺寸调节模块铝合金外框架807内位于双膜片联轴器804一侧还设有激光测距传感器803；

腰部固定模块400中，尺寸调节模块铝合金内框架上端与铝合金型材100连接，尺寸调节模块铝合金外框架下端依次通过腰部关节活动单元1100、大腿关节活动单元1000与大腿固定模块500中的尺寸调节模块铝合金内框架上端连接，大腿固定模块500中的尺寸调节模块铝合金外框架下端通过小腿关节活动单元900与小腿固定模块600中的尺寸调节模块铝合金内框架上端连接，小腿固定模块600中的尺寸调节模块铝合金内框架下端与站立平台103连接。

如图7所示，腰部关节活动单元1100包括水平的腰部转动副步进电机固定板1105、位于腰部转动副步进电机固定板1105下方的水平的腰部转动副上板1102、通过转轴转动连接在腰部转动副上板1102底面的腰部转动副下板1101，腰部转动副步进电机固定板1105顶面与腰部固定模块400中尺寸调节模块铝合金外框架下端固定连接，腰部转动副步进电机固定板1105底面通过连接架与腰部转动副上板1102顶面固定连接，腰部转动副步进电机固定板1105中设有腰部转动副步进电机1104，腰部转动副步进电机1104的输出轴轴端与腰部转动副下板1101的转轴对应端之间通过大带轮传动模块1103传动连接，腰部转动副上板1102与大带轮传动模块1103相反方向的一侧还通过转轴转动安装有腰部卡板1108，腰部转动副上板1102顶面设有卡板舵机1106，卡板舵机1106的输出轴通过卡板带传动模块1107与腰部卡板1108的转轴传动连接，腰部转动副下板1101底部、腰部卡板1108下端分别连接至大腿关节活动单元1000。

如图6所示，大腿关节活动单元1000包括水平的鱼眼接头连杆固定板1004、转动轴固定板1001，以及中心轴水平的鱼眼接头连杆转轴1002、中心轴竖直的鱼眼接头连杆1003，鱼眼接头连杆转轴1002固定安装在转动轴固定板1001顶面，鱼眼接头连杆1003下端转动安装在鱼眼接头连杆转轴1002上，鱼眼接头连杆1003上端与鱼眼接头连杆固定板1004固定连接，鱼眼接头连杆固定板1004顶面与腰部关节活动单元1100中腰部转动副下板1101底部固定连接，转动轴固定板1001底部与大腿固定模块500中尺寸调节模块铝合金内框架上端固定连接，转动轴固定板1001一侧还设有卡块，腰部关节活动单元1100中腰部卡板1108下端设有卡在卡块上的卡口。

如图5所示，小腿关节活动单元900包括水平的卡板舵机固定板905、鱼眼接头连杆固定板904、转动轴固定板901，以及中心轴水平的鱼眼接头连杆转轴902、中心轴竖直的鱼眼接头连杆903，其中卡板舵机固定板905顶部与大腿固定模块500中尺寸调节模块铝合金外框架下端固定连接，卡板舵机固定板905中设有卡板舵机906，转动轴固定板901底部与小腿固定模块400中尺寸调节模块铝合金内框架上端固定连接，鱼眼接头连杆转轴902固定在转动轴固定板901顶部，鱼眼接头连杆903下端转动安装在鱼眼接头连杆转轴902上，鱼眼接头连杆903上端与鱼眼接头连杆固定板904固定连接，鱼眼接头连杆固定板904通过螺栓与卡板舵机固定板905固定连接，还包括设置在卡板舵机固定板905一侧的卡板907，卡板907上端与卡板舵机906的输出轴固定连接，卡板907下端延伸至小腿固定模块600中尺寸调节模块铝合金内框架上端，小腿固定模块600中尺寸调节模块铝合金内框架上端一侧设有卡头，卡板907下端设有卡在卡头上的卡口。

如图4所示，身体部位固定单元700包括竖直的人体固定装置固定板701，人体固定装置固定板701背面分别固定在腰部固定模块400、大腿固定模块500、小腿固定模块600中尺寸调节模块800铝合金外框架内侧，人体固定装置固定板701中设有竖直的滑槽，滑槽中滑动安装有人体固定装置活动块702，且人体固定装置活动块702与滑槽的上、下端槽壁之间分别连接有人体固定装置弹簧704，人体固定装置活动块702正面连接有呈半环形的身体部位固定器703，身体部位固定器703的两端内壁分别设有肌电信号传感器705。

参见图1，用于人体康复训练的装置，包括一个铝合金框架，铝合金框架放置与地基上，用于腰部康复训练的装置还包括有交流伺服电机102，以及柔索101，站立平台103，患者站立于站立平台103之上，由交流伺服电机102驱动柔索101，带动站立平台103在空间内运动，通过站立平台103在空间中的位置、姿态发生改变，从而改变患者腰部、腿部、脚步各关节的姿态，进而达到康复患者的效果。

参见图1，在铝合金框架上端，安放有铝合金型材100，通过固定螺钉固定于铝合金框架上，并在铝合金型材100上，安装有左侧人体支撑机构200，右侧人体支撑机构300，两装置镜像对称，结构相同，垂直安放于站立平台103两侧，用于患者的固定，以及实现相应功能。

参见图2，用于人体康复训练中自动固定装置中的左侧人体支撑机构200，由腰部固定模块400，大腿固定模块500，小腿固定模块600，三部分构成，其中，小腿固定模块600与患者小腿平齐，用于固定患者小腿，并协助患者完成指定的康复动作。大腿固定模块500与患者大腿平齐，用于固定患者大腿，并协助患者完成指定康复动作。腰部固定模块400与患者上半身平齐，用于固定患者上半身，并协助患者完成制定的康复动作。腰部固定模块400与大腿固定模块500之间由大腿关节活动单元1000联结，大腿固定模块500与小腿固定模块600之间由小腿关节活动单元900联结。

参见图4，用于人体康复训练中自动固定装置中的身体部分固定单元700，此结构由人体固定装置固定板701，人体固定装置活动块702，身体部位固定器703，人体固定装置弹簧704，肌电信号传感器705构成。其中人体固定装置固定板701用螺钉固定于腰部固定模块400、大腿固定模块500、小腿固定模块600中的尺寸调节模块铝合金外框架807上，人体固定装置活动块702安装在人体固定装置固定板701内，并在其上方、下方各安装有一条人体固定装置弹簧704，使得患者在固定过程中更加灵活、柔韧度高，也起到了缓冲避震效果，防止患者与机构之间刚性固定所造成的二次损伤。身体部位固定器703固定于人体固定装置活动块702上，用于与患者身体各部位接触，并固定。肌电信号传感器705黏贴于身体部位固定器703末端，在患者身体各部位固定过程中，电极片与患者肌肉紧密贴合，可测量患者在康复运动过程中的肌肉电信号，用于后期反馈处理。

参见图5，用于人体康复训练中自动固定装置中的小腿关节活动单元900，其结构由转动轴固定板901，鱼眼接头连杆转轴902，鱼眼接头连杆903，鱼眼接头连杆固定板904，卡板舵机固定板905，卡板舵机906，卡板907构成。其中卡板舵机固定板905，用长螺栓与长螺母固定于大腿固定模块500中的尺寸调节模块铝合金外框架807上，鱼眼接头连杆固定板904用长螺栓与长螺母固定于卡板舵机固定板905上，卡板舵机906通过螺栓与螺母固定于卡板舵机固定板905上，卡板907通过卡板上设置的插孔固定于卡板舵机906上，鱼眼接头连杆903通过螺纹固定于鱼眼接头连杆固定板904上的螺纹孔内。鱼眼接头连杆903与鱼眼接头连杆转轴902配合连接，鱼眼接头连杆转轴902通过螺母固定于转动轴固定板901上，转动轴固定板901通过长螺栓与长螺母固定于小腿固定模块600中的尺寸调节模块铝合金内框架808上，在尺寸调节模块铝合金内框架808上，设置有卡头，可与卡板907上的卡槽相互配合。鱼眼接头连杆903与鱼眼接头连杆转轴902构成的转动副为空间转动副，可实现空间三自由度转动，极大限度的模拟了人体关节运动模式。卡板907与卡头相互配合，从而将大腿固定模块500与小腿固定模块600连接成为整体，起到锁死小腿关节的目的，从而有利于特定康复动作的实现。

参见图6，用于人体康复训练中自动固定装置中的大腿关节活动单元1000，其结构由转动轴固定板1001，鱼眼接头连杆转轴1002，鱼眼接头连杆1003，鱼眼接头连杆固定板1004构成。其各部分连接方式与小腿关节活动单元900相同，但是其中鱼眼接头连杆固定板1004通过长螺栓与长螺母安装于腰部转动副下板1101上。所实现功能与小腿关节活动单元900相同。

参见图7，用于人体康复训练中自动固定装置中的腰部关节活动单元1100，其结构由腰部转动副下板1101，腰部转动副上板1102，大带轮传动模块1103，腰部转动副步进电机1104，腰部转动副步进电机固定板1105，卡板舵机1106，卡板带传动模块1107，腰部卡板1108构成。其中腰部转动副下板1101通过长螺栓与长螺母与大腿关节活动单元1000中鱼眼接头连杆固定板1004固定，并通过转动轴与腰部转动副上板1102构成转动副，其中，转动轴与腰部转动副下板1101之间通过键槽固定，使得二者能够同步转动。卡板舵机1106通过螺栓螺母固定于腰部转动副上板1102上，卡板舵机1106输出头与卡板带传动模块1107中带轮固定，带传动另一端带轮与腰部转动副上板1102上的安装槽固定，并将卡板1108与其另一端带轮固定连接，实现由舵机向卡板的运动传递。

参见图8，用于人体康复训练中自动固定装置中腰部固定模块400、大腿固定模块500、小腿固定模块600中尺寸调节的尺寸调节单元800，其结构由尺寸调节步进电机801，电机固定板802，激光测距传感器803，双膜片联轴器804，滚珠丝杠805，滚珠螺母固定板806，尺寸调节模块铝合金外框架807，尺寸调节模块铝合金内框架808，轴承固定座809，滚珠丝杠轴承810组成。尺寸调节步进电机801用螺栓固定于电机固定板802之上，电机固定板802呈“C”字形，两侧面钻有螺栓孔，可用螺栓固定于尺寸调节模块铝合金外框架807的内侧表面。尺寸调节步进电机801的底部与尺寸调节模块铝合金外框架807内侧底面相贴合，尺寸调节步进电机801的输出端与双膜片联轴器804相链接，再与滚珠丝杠805链接，从而将电机的运动形式输出至滚珠丝杠，滚珠丝杠805与滚珠螺母固定板806间通过螺栓固定，滚珠螺母固定板806呈“C”字形，两侧面钻有螺栓孔，可用螺栓固定于尺寸调节模块铝合金内框架808的内侧表面，激光测距传感器803通过螺栓固定于尺寸调节模块铝合金外框架807的内侧表面。尺寸调节模块铝合金外框架807与尺寸调节模块铝合金内框架808之间通过凹槽相互连接，形成单自由度的移动副，可通过尺寸调节步进电机801转动，驱动滚珠丝杠805，从而带动尺寸调节模块铝合金内框架808沿着导轨槽，做直线运动。

参见图9，采用本发明所述用于人体康复训练中自动固定及康复训练方法，按如下步骤进行：

步骤一：令工控机、尺寸调节单元800，腰部关节活动单元1100内的各电机上电，初始化小腿关节活动单元900、大腿关节活动单元1000内的各舵机，初始化尺寸调节单元800内的激光测距传感器，初始化身体部位固定单元700中的肌电信号采集模块。

步骤二：向工控机上输入患者大小腿长度、身高及腰部位置信息。向工控机上预设所需要康复模块，可选择脚踝康复、膝关节康复、大腿关节康复、腰部关节康复等。

步骤三：患者站立于站立平台103之上，根据步骤二中输入的患者腿部、腰部、身高信息，首先控制小腿固定模块600中的尺寸调节单元800中电机进行运动，带动滚珠丝杠机构运动，从而使得尺寸调节模块铝合金外框架807与尺寸调节模块铝合金内框架808间相对位置发生改变，将小腿模块调整至患者需要长度，并使得小腿关节活动单元900与患者膝盖关节处于同一平面内。调整过程由激光测距传感器803实时测量距离信息，并及时反馈给工控机，结合电机反馈信息，保证尺寸调节的准确性。

步骤四：大腿固定模块500的调节过程与步骤三相同，身高及腰部位置的调节主要由腰部固定模块400中的尺寸调节单元完成，调节过程与步骤三相同。

步骤五：将腰部固定模块400、大腿固定模块500、小腿固定模块600中的身体部位固定单元700上的身体部位固定器703分别绑在患者的小腿、大腿、腰部位置，使得肌电信号传感器705与人体小腿处比目鱼肌、腓肠肌，人体大腿处股二头肌、股四头肌，人体腰部位置阔背肌、腹直肌等肌肉部位紧密贴合，保证测电硅胶头粘附在身体皮肤之上。

步骤六：根据步骤二中输入的康复模式，即脚踝康复、膝关节康复、大腿关节康复、腰部关节康复等康复模式，工控机驱动小腿关节活动单元900、大腿关节活动单元1000中的卡板舵机运动，带动卡板运动，卡板上设有卡槽，与相应关节位置卡头相互配合，将关节卡死。根据患者选择情况，若只需对踝关节进行康复，可调节卡板舵机，将小腿关节、大腿关节卡死，通过患者站立平台的运动，带动患者脚踝关节运动。若需要进行膝盖关节康复，可将大腿关节卡死，通过患者站立平台的运动，带动患者膝盖关节运动。若需要进行腰部关节康复或大腿关节康复，可将小腿关节卡死，通过患者站立平台103的运动，带动患者腰部、大腿关节运动。

步骤七：由工控机控制交流伺服电机102旋转，带动柔索101发生伸缩运动，实现患者站立平台103的运动。实现人体各关节的康复训练。通过固定在人体小腿、大腿、腰部各肌肉上的肌电信号传感器705，实时测量人体肌肉电信号，并反馈给工控机，工控机根据程序设定，对比接收到肌肉信号信息与健康人体肌肉电信号信息之间的区别，灵活调整交流伺服电机102旋转角度与旋转速度，实现对患者康复运动过程中，康复状况的实时反馈，并根据工控机控制信号，及时有效的反馈给交流伺服电机102，实现运动轨迹的灵活调整功能。

步骤八：根据患者对康复过程的选择，如需腰部辅助康复，可执行步骤八，首先调节腰部固定模块400上的尺寸调节单元，使得腰部关节活动单元位于患者腰部，腰部关节活动单元1100中，腰部转动副步进电机1104通过大带轮传动模块1103，将旋转运动传递至腰部转动副下板1101，实现腰部关节的运动，当患者腰部肌肉受到损害，又需要康复膝盖、脚踝关节时，可将腰部关节旋转90°，形成座椅状，辅助支撑人体，使得患者能够以坐姿完成腿部康复训练，极大的减小了患者康复过程中二次伤害的概率。

步骤九：康复训练完成，手动接触患者小腿、大腿、腰部约束，令患者走下站立平台103。

步骤十：令各功能部件复位，关闭交流伺服电机102，关闭腰部转动副步进电机1104，关闭肌电信号传感器705、激光测距传感器803，关闭工控机电源。

Claims (1)

1.一种基于人体康复训练中自动固定装置的人体康复训练方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：令工控机、尺寸调节单元，腰部关节活动单元内的各电机上电，初始化小腿关节活动单元、大腿关节活动单元内的各舵机，初始化尺寸调节单元内的激光测距传感器，初始化身体部位固定单元中的肌电信号采集模块；

步骤二：向工控机上输入患者大小腿长度、身高及腰部位置信息，向工控机上预设所需要康复模块，可选择脚踝康复、膝关节康复、大腿关节康复、腰部关节康复；

步骤三：患者站立于站立平台之上，根据步骤二中输入的患者腿部、腰部、身高信息，首先控制小腿固定模块中的尺寸调节单元中电机进行运动，带动滚珠丝杠机构运动，从而使得尺寸调节模块铝合金外框架与尺寸调节模块铝合金内框架间相对位置发生改变，将小腿模块调整至患者需要长度，并使得小腿关节活动单元与患者膝盖关节处于同一平面内，调整过程由激光测距传感器实时测量距离信息，并及时反馈给工控机，结合电机反馈信息，保证尺寸调节的准确性；

步骤四：大腿固定模块的调节过程与步骤三相同，身高及腰部位置的调节主要由腰部固定模块中的尺寸调节单元完成，调节过程与步骤三相同；

步骤五：将腰部固定模块、大腿固定模块、小腿固定模块中的身体部位固定单元上的身体部位固定器分别绑在患者的小腿、大腿、腰部位置，使得肌电信号传感器与人体小腿处比目鱼肌、腓肠肌，人体大腿处股二头肌、股四头肌，人体腰部位置阔背肌、腹直肌等肌肉部位紧密贴合，保证测电硅胶头粘附在身体皮肤之上；

步骤六：根据步骤二中输入的康复模式，即脚踝康复、膝关节康复、大腿关节康复、腰部关节康复等康复模式，工控机驱动小腿关节活动单元、大腿关节活动单元中的卡板舵机运动，带动卡板运动，卡板上设有卡槽，与相应关节位置卡头相互配合，将关节卡死，根据患者选择情况，若只需对踝关节进行康复，可调节卡板舵机，将小腿关节、大腿关节卡死，通过患者站立平台的运动，带动患者脚踝关节运动，若需要进行膝盖关节康复，可将大腿关节卡死，通过患者站立平台的运动，带动患者膝盖关节运动，若需要进行腰部关节康复或大腿关节康复，可将小腿关节卡死，通过患者站立平台的运动，带动患者腰部、大腿关节运动；

步骤七：由工控机控制交流伺服电机旋转，带动柔索发生伸缩运动，实现患者站立平台的运动，实现人体各关节的康复训练，通过固定在人体小腿、大腿、腰部各肌肉上的肌电信号传感器，实时测量人体肌肉电信号，并反馈给工控机，工控机根据程序设定，对比接收到肌肉信号信息与健康人体肌肉电信号信息之间的区别，灵活调整交流伺服电机旋转角度与旋转速度，实现对患者康复运动过程中，康复状况的实时反馈，并根据工控机控制信号，及时有效的反馈给交流伺服电机，实现运动轨迹的灵活调整功能；

步骤八：根据患者对康复过程的选择，如需腰部辅助康复，可执行步骤八，首先调节腰部固定模块上的尺寸调节单元，使得腰部关节活动单元位于患者腰部，腰部关节活动单元中，腰部转动副步进电机通过大带轮传动模块，将旋转运动传递至腰部转动副下板，实现腰部关节的运动，当患者腰部肌肉受到损害，又需要康复膝盖、脚踝关节时，可将腰部关节旋转90°，形成座椅状，辅助支撑人体，使得患者能够以坐姿完成腿部康复训练，极大的减小了患者康复过程中二次伤害的概率；

步骤九：康复训练完成，手动接触患者小腿、大腿、腰部约束，令患者走下站立平台；

步骤十：令各功能部件复位，关闭交流伺服电机，关闭腰部转动副步进电机，关闭肌电信号传感器、激光测距传感器，关闭工控机电源；

用于人体康复训练中自动固定装置，包括立向设置的框架，框架内底部四角位置分别设有交流伺服电机，框架内底部中间设有站立平台，每个交流伺服电机的输出轴分别通过向上绕过框架顶部滑轮再向下延伸的柔索与站立平台连接，所述框架顶部还架设有铝合金型材，铝合金型材位于站立平台正上方，铝合金型材与站立平台之间竖直连接有左、右侧人体支撑机构，左、右侧人体支撑机构结构相同，每侧人体支撑机构从上至下分别包括腰部固定模块、大腿固定模块、小腿固定模块，其中腰部固定模块上端与铝合金型材连接，腰部固定模块下端依次通过腰部关节活动单元、大腿关节活动单元与大腿固定模块上端连接，大腿固定模块下端通过小腿关节活动单元与小腿固定模块上端连接，小腿固定模块下端与站立平台连接，腰部固定模块、大腿固定模块、小腿固定模块的内侧分别连接有身体部位固定单元；

所述腰部固定模块、大腿固定模块、小腿固定模块均由尺寸调节单元构成，尺寸调节单元包括竖直设置的尺寸调节模块铝合金外框架，以及从尺寸调节模块铝合金外框架上端竖直滑动安装在尺寸调节模块铝合金外框架中的尺寸调节模块铝合金内框架，尺寸调节模块铝合金外框架内底部通过电机固定板竖直安装有尺寸调节步进电机，尺寸调节步进电机输出轴竖直向 上，且尺寸调节步进电机输出轴通过双膜片联轴器共中心轴传动连接有滚珠丝杠，滚珠丝杠上端转动连接在尺寸调节模块铝合金外框架顶部，尺寸调节模块铝合金内框架底部框板 设有滚珠螺母后构成滚珠螺母固定板，且尺寸调节模块铝合金内框架底部框板通过滚珠螺 母螺纹装配在滚珠丝杠上构成丝杠螺母副，尺寸调节模块铝合金外框架内位于双膜片联轴 器一侧还设有激光测距传感器；

所述腰部固定模块中，尺寸调节模块铝合金内框架上端与铝合金型材连接，尺寸调节模块铝合金外框架下端依次通过腰部关节活动单元、大腿关节活动单元与大腿固定模块中的尺寸调节模块铝合金内框架上端连接，大腿固定模块中的尺寸调节模块铝合金外框架下端通过小腿关节活动单元与小腿固定模块中的尺寸调节模块铝合金内框架上端连接，小腿固定模块中的尺寸调节模块铝合金内框架下端与站立平台连接；

所述腰部关节活动单元包括水平的腰部转动副步进电机固定板、位于腰部转动副步进电机固定板下方的水平的腰部转动副上板、通过转轴转动连接在腰部转动副上板底面的腰部转动副下板，所述腰部转动副步进电机固定板顶面与腰部固定模块中尺寸调节模块铝合金外框架下端固定连接，腰部转动副步进电机固定板底面通过连接架与腰部转动副上板顶面固定连接， 腰部转动副步进电机固定板中设有腰部转动副步进电机，腰部转动副步进电机的输出轴轴 端与腰部转动副下板的转轴对应端之间通过大带轮传动模块传动连接，腰部转动副上板与 大带轮传动模块相反方向的一侧还通过转轴转动安装有腰部卡板，腰部转动副上板顶面设 有卡板舵机，卡板舵机的输出轴通过卡板带传动模块与腰部卡板的转轴传动连接，所述腰部转动副下板底部、腰部卡板下端分别连接至大腿关节活动单元；

所述大腿关节活动单元包括水平的鱼眼接头连杆固定板、转动轴固定板，以及中心轴水平的鱼眼接头 连杆转轴、中心轴竖直的鱼眼接头连杆，所述鱼眼接头连杆转轴固定安装在转动轴固定板 顶面，鱼眼接头连杆下端转动安装在鱼眼接头连杆转轴上，鱼眼接头连杆上端与鱼眼接头 连杆固定板固定连接，所述鱼眼接头连杆固定板顶面与腰部关节活动单元中腰部转动副下 板底部固定连接，转动轴固定板底部与大腿固定模块中尺寸调节模块铝合金内框架上端固 定连接，转动轴固定板一侧还设有卡块，所述腰部关节活动单元中腰部卡板下端设有卡在卡块上的卡口；

所述小腿关节活动单元包括水平的卡板舵机固定板、鱼眼接头连杆固定板、转动轴固定板，以及中心轴水平的鱼眼接头连杆转轴、中心轴竖直的鱼眼接头连杆，其中卡板舵机固定板顶部与大腿固定模块中尺寸调节模块铝合金外框架下端固定连接，卡板舵机固定板中设有卡板舵机， 转动轴固定板底部与小腿固定模块中尺寸调节模块铝合金内框架上端固定连接，鱼眼接头连杆转轴固定在转动轴固定板顶部，鱼眼接头连杆下端转动安装在鱼眼接头连杆转轴上， 鱼眼接头连杆上端与鱼眼接头连杆固定板固定连接，鱼眼接头连杆固定板通过螺栓与卡板舵机固定板固定连接，还包括设置在卡板舵机固定板一侧的卡板，卡板上端与卡板舵机的输出轴固定连接，卡板下端延伸至小腿固定模块中尺寸调节模块铝合金内框架上端，小腿固定模块中尺寸调节模块铝合金内框架上端一侧设有卡头，所述卡板下端设有卡在卡头上的卡口；

所述身体部位固定单元包括竖直的人体固定装置固定板，人体固定装置固定板背面分别固定在腰部固定模块、大腿固定模块、小腿固定模块中尺寸调节模块铝合金外框架内侧，人体固定装置固定板中设有竖直的滑槽，滑槽中滑动安装有人体固定装置活动块，且人体固定装置活动块与滑槽的上、下端槽壁之间分别连接有人体固定装置弹簧，人体固定装置活动块正面连接有呈半环形的身体部位固定器，身体部位固定器的两端内壁分别设有肌电信号传感器。

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