CN108078737B - 一种幅度自动调节式腿部康复训练装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种幅度自动调节式腿部康复训练装置及控制方法，装置包括固定支撑架，固定支撑架前、后端分别高位安装有可升降的扶手架、座椅固定架，固定支撑架上前侧安装有脚踏轮轴部，座椅固定架的前架面上设有腿部摆动幅度调节装置，腿部摆动幅度调节装置中的摆动架上分别安装有腿部调节装置，还包括腿部支撑件和脚踏装置；腿部支撑件一端与脚踏装置连接，腿部支撑件另一端与腿部调节装置连接，脚踏装置与脚踏轮轴部连接。本发明方法通过设置在转动处的角度传感器进行转角测量，并由传感控制系统根据测量信号对各个磁流变阻尼器、磁流变离合器和电流接触器、电机进行控制。

Description

一种幅度自动调节式腿部康复训练装置及控制方法
技术领域
本发明涉及医疗康复训练工具领域，具体是一种幅度自动调节式腿部康复训练装置及控制方法。
背景技术
随着我国人口老龄化日益严重，以及脑卒、偏瘫等疾病的患者逐渐增多，大部分老年人没有完全丧失行走能力，但其站立能力却严重衰退，使其长期被困在床上或者轮椅上，这样会使血液循环不畅，肌肉萎缩坏死，从而造成腿部终身残废的可能，因此下肢的康复训练尤为重要。
目前，大多数是采用其他人辅助病人进行下肢康复训练的方式。这种方式一方面需要耗费大量的医护人员的人力进行，操作不便且工作强度较大；另一方面这种方式不能真正的以患者自身的角度去感受和考虑腿部康复训练的强度，而且患者缺乏适度的主动训练。因此，开发辅助偏瘫患者腿部运动功能的康复训练装置，对于下肢瘫痪患者的康复具有重大的应用价值。
公开号为CN106955463A的中国专利申请公开了一种腿部康复训练装置，公开号为CN106691777A的中国专利申请公开了一种可折叠腿部康复训练机构以及装有该机构的轮椅，这些装置对腿部的康复训练起到了一定的作用，但仍存在一些问题：（1）上述两种装置对腿部训练方式单一，没有对不同情况下的患者设计相适应的训练方式。（2）上述装置没有对腿部的所有关节进行训练，仅对部分关节进行或少量的运动方式进行康复训练，训练效果不够好。因此，有必要发明一种腿部康复训练装置，使其既能够满足情况不同患者的康复训练，又能满足腿部所有关节的康复训练，同时将主动训练与被动训练及助力训练有机结合，提高康复训练的效率与效果。
发明内容 本发明的目的是提供一种幅度自动调节式腿部康复训练装置及控制方法，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种幅度自动调节式腿部康复训练装置，其特征在于：包括固定支撑架，固定支撑架前端高位安装有可升降的扶手架，固定支撑架后端高位安装有可升降的座椅固定架，座椅固定架上设有座椅；
固定支撑架上前侧安装有脚踏轮轴部，所述脚踏轮轴部包括轮轴部外壳，轮轴部外壳内设有旋转式的磁流变阻尼器A，该磁流变阻尼器A的中心轴沿左右水平方向，磁流变阻尼器A的活塞杆两端分别从磁流变阻尼器A中穿出形成连接头，两个连接头分别从轮轴部外壳对应侧穿出，位于轮轴部外壳内的其中一个连接头上同轴固定有减速传动轮、同步传动轮，轮轴部外壳内还设有电机A、磁流变离合器A、角度传感器A，其中电机A的输出轴与磁流变离合器A的输入端同轴传动连接，磁流变离合器A的输出端通过减速带与减速传动轮传动连接，角度传感器A的检测轴同轴固定有另一同步传动轮，两个同步传动轮之间通过同步传送带传动连接；
座椅固定架的前架面上设有腿部摆动幅度调节装置，腿部摆动幅度调节装置包括一对呈左右对称的摆动架，两摆动架后端分别铰接在座椅固定架的前架面上，两摆动架之间的座椅固定架前架面转动安装有中心轴沿左右水平方向的滚珠丝杆，滚珠丝杆上螺纹安装有电机装载座，由电机装载座与滚珠丝杆构成滚珠丝杆螺母副，电机装载座上固定有电机C，电机C的输出轴竖直设置，腿部摆动幅度调节装置还包括一个摆动最短杆、两个摆动最长杆，摆动最短杆垂直于座椅固定架前架面，摆动最短杆后端固定在电机C的输出轴轴端上，两个摆动最长杆各自一端通过中心轴沿竖直方向的铰接轴铰接在摆动最短杆前端，两个摆动最长杆另一端呈左右对称展开，且每个摆动最长杆另一端分别铰接在对应侧的摆动架内侧面前端位置，座椅固定架的前架面上还设有电机D，电机D的输出轴通过减速装置与滚珠丝杆一端传动连接；
腿部摆动幅度调节装置中，每个摆动架上还分别安装有腿部调节装置，腿部调节装置包括连接在摆动架下端的第一可调腿部杆、连接在摆动架上端的第二可调腿部杆，其中第一可调腿部杆装进第二可调腿部杆中的槽内，即可以相对其移动。第二可调腿部杆上端通过中心轴沿左右水平方向的转轴转动安装有第一传动轮，每个摆动架内侧面中间成型为波浪面，波浪面向后水平连接有电磁接触器、筒状的支撑端，波浪面后方的摆动架内侧面上通过中心轴沿左右水平方向的转轴同轴转动安装有第二传动轮、传动齿轮，其中第一传动轮、第二传动轮之间通过传动带传动连接，传动齿轮与支撑端后端之间设有竖直的调节齿条，调节齿条下端固定在第一可调腿部杆内侧面上，支撑端内装有压缩弹簧，压缩弹簧连接在调节齿条和支撑端内的筒底之间，电磁接触器通电时吸附调节齿条使压缩弹簧压缩在支撑端内，电磁接触器断电时调节齿条在压缩弹簧回复力作用下与传动齿轮传动啮合，第一可调腿部杆内侧面还安装有电机B、磁流变离合器B，电机B的输出轴沿左右水平方向，且电机B的输出轴与磁流变离合器B的输入端同轴传动连接；
还包括分别对应于人体左、右腿的腿部支撑件，以及分别对应于人体左、右脚的脚踏装置；每侧腿部支撑件包括可调大腿杆件和可调小腿杆件，其中可调大腿杆件通过绑带绑在人体对应侧大腿上，可调小腿杆件通过绑带绑在人体对应侧小腿上，每侧腿部支撑件中，可调大腿杆件下端与可调小腿杆件上端转动连接，且可调大腿杆件、可调小腿杆件转动连接处同轴安装有旋转式的磁流变阻尼器B，每侧可调大腿杆件上端与对应侧腿部调节装置中的第一传动轮的转轴转动连接，且可调大腿杆件上端、第一传动轮转轴转动连接处同轴安装有旋转式磁流变阻尼器C和角度传感器B，每侧的可调大腿杆件底部分别向下铰接有最长杆，最长杆下端向上铰接有可调最短杆，可调最短杆上端与同侧的腿部调节装置中磁流变离合器B的输出端转动连接。在腿部调节装置与可调最短杆间转动处安装有压力传感器，以检测两杆间压力，解除四杆机构自锁或调节训练幅度。由同侧的最长杆、可调最短杆、摆动架、可调大腿杆件构成四杆机构；
每侧的脚踏装置通过绑带绑在人体对应脚上，每侧的脚踏装置后端分别通过球铰链与同侧的可调小腿杆件下端自由转动连接，每侧的脚踏装置内侧与脚踏轮轴部中磁流变阻尼器A对应侧的连接头之间分别转动连接有脚踏曲柄。
所述的一种幅度自动调节式腿部康复训练装置，其特征在于：每个可调大腿杆件分别是由第一可调大腿杆件和第二可调大腿杆件构成的伸缩杆结构，每个可调小腿杆件分别是由第一可调小腿杆和第二可调小腿杆构成的伸缩杆结构。
所述的一种幅度自动调节式腿部康复训练装置，其特征在于：每侧脚踏装置由通过板面连接的脚踏绑带板和脚踏板构成，其中脚踏板内沿左右方向安装有脚踏轴，脚踏轴一端从脚踏板内侧面穿出，脚踏轴穿出端同轴装入连接螺纹杆内，且脚踏轴与连接螺纹杆之间设有弹簧，所述脚踏曲柄一端与连接螺纹杆螺纹连接，脚踏曲柄另一端与磁流变阻尼器A对应侧的连接头转动连接。
所述的一种幅度自动调节式腿部康复训练装置，其特征在于：还包括传感控制系统，传感控制系统包括计算机、数据采集板卡、D/A转换器、电流控制器、电机控制器、A/D转换器，计算机与数据采集板卡双向通讯连接，角度传感器A、角度传感器B、压力传感器的输出端一一对应与A/D转换器输入端连接，A/D转换器的输出端分别与数据采集板卡的输入端连接，数据采集板卡的输出端分别与D/A 转换器的输入端连接，D/A 转换器的输出端与电流控制器的输入端相连接，电流控制器的输出端分别与磁流变阻尼器A和B和C、磁流变离合器A和B、电磁接触器以及电机A和B和C和D的输入端连接。
一种幅度自动调节脚踏式腿部康复装置的控制方法，其特征在于：用于被动训练方法的控制，包括以下步骤：
步骤一：进行系统初始化，磁流变阻尼器和磁流变离合器均处于失电状态，且各处的电机也均处于断电状态，同时由计算机发出指令开启传感与控制系统；
步骤二：患者在医生的帮助下，先自行进行腿部的运动训练，在下肢的屈伸过程中，分别记录下腿部可调最短杆长度以及角度传感器A、B分别采集大腿部和脚踏部的转动信号；
步骤三：根据上步的患者自我康复训练中，选择在其最大的摆动角度处的最短杆长度，所采集的角度信号经A/D转换器后输入数据采集板卡，由计算机脚踏处电机的反转周期以及两处磁流变离合器所需要的电流值，调整脚踏轮轴和腿部最短杆的转速，使之适应病人的需求；
步骤四：在无医生帮助下，由计算机发出开机指令，开启轮轴部和腿部的电机以及向两处磁流变离合器处输出相应的电流值；
步骤五：由计算机发出指令向数据采集板卡输出控制信号，经D/A转化器后控制电流控制器的输出电流，腿部最短轴在电机和磁流变离合器B的控制配合下，以合适的角速度转动，以四杆机构驱动大腿杆的周期性摆动，从而带动腿部的屈伸运动训练；同时在脚踏轮轴在磁流变离合器A的控制下与腿部的屈伸运动保持合适的转速和周期，其反转的方式为：一只腿在屈伸的训练中，当患者的该只腿达到其伸展的最大角度时，此时另一只腿在其最大的程度下的屈缩状态下，轮轴部的脚踏此时开始反转，直至其达到该只腿在最大程度的屈缩以及另一只腿在最大角度的伸展状态，则在此两次的反转周期中，下肢完成一次屈伸的康复训练，根据实时采集的角度信号实时调整磁流变离合器的电流值，辅助患者完成下肢的康复训练；
步骤六：患者可主动通过计算机发出指令，由计算机向数据采集板卡输出控制信号，经D/A转化器后控制电流控制器的输出电流，在计算机向腿部摆动处的电机C发指令，电机驱动两幅四杆机构带动腿部的周期性摆动，在训练中，患者可通过计算机同时向腿部摆动处的电机D发出指令，这样会改变两腿部的摆动幅度，可以在主动调节幅度下完成腿部的康复训练；
步骤七：重复步骤五～步骤六，直至训练结束，由计算机发出停机指令，依次关闭各处电机、传感与控制系统，停止信号采集和数据处理。
一种幅度自动调节脚踏式腿部康复装置的控制方法，其特征在于：用于主动训练的控制，包括以下步骤：
步骤一：进行系统初始化，磁流变阻尼器和磁流变离合器均处于失电状态，且各处的电机也均处于断电状态，同时由计算机发出指令开启传感与控制系统；
步骤二：患者穿戴装置，自行完成腿的屈伸和脚处的运动动作，在下肢整体协调运动中，角度传感器A、B分别采集下肢大腿部和脚踏轮轴部的角度信号；两个压力传感器同时采集大腿驱动四杆机构中固定架与最短杆的压力信号；
步骤三：所采集的角度信号经A/D转换器后输入数据采集板卡，由计算机求得各处磁流变阻尼器A、B、C中需要提供的控制电流值；
步骤四：所采集的压力信号由A/D 转换器后输入数据采集板卡，有计算机判断机构是否处于自锁状态，若是，则由计算机向电机B、磁流变离合器B和电磁接触器发送指令，被动运动减少固定长度的可调腿部杆长，调整腿部的可训练程度，若否，则继续进行下一步的训练；
步骤五：在接下来的下肢运动训练中，根据步骤三中求得的磁流变阻尼器 A、B、C控制电流值，由计算机向数据采集板卡输出控制信号，经D/A转换器后控电流控制器的输出电流，使得下肢在训练过程中感受到阻尼力，并根据下肢的康复效果，调整通入电流大小直至行程结束；
步骤六：重复步骤三～步骤五，直至训练结束，由计算机发出停机指令，依次关闭各处电机、传感与控制系统，停止信号采集和数据处理。
本发明提供一种幅度自动调节式腿部康复训练装置及控制方法，适用于下肢瘫痪患者或者下肢受伤患者的腿部主/被动协调康复训练。具有以下有益效果：
（1）采用的是脚踏式的腿部康复训练装置，这种训练方法训练的幅度较大且可以根据患者的不同状态，做不同程度的康复训练。
（2）采用的是幅度自动调节式腿部康复训练装置，在腿部的摆动以及屈伸运动中均有着调节装置。腿部的屈伸运动在其主动训练可以自动调节训练幅度。当其下肢取得康复效果是，其下肢的运动幅度会增加，在其主动训练中会达到自锁状态从而通过压力传感器A的检测，从而通过调节杆的长度改变运动幅度。腿部的摆动装置在其调节结构下同样自动改变大腿杆的摆动幅度，从而与固定脚踏配合间接达到对脚踝处的康复训练。
（3）通过角度传感器和压力传感器实时检测角度和压力数据，并反馈至计算机中，以获取患者当前的下肢运动功能状态，根据患者的恢复情况，由计算机发出控制信号自行切换主/被动训练形式和改变主动训练强度，能够最大限度的帮助患者进行康复训练。
（4）使用的磁流变阻尼器是一种能量耗散型智能器件，具备安全稳定、体积小、重量轻等优点。通过被动力反馈，由磁流变阻尼器为下肢主动运动提供合适的阻尼力，更安全的训练下肢的肌力强度，有利于提高下肢康复训练效果；
（5）磁流变离合器具有传递扭矩稳定、结构简单、易于控制、能耗低等优点。磁流变离合器在传动中可以有效的减小冲击，避免事故造成患者受伤。同样用磁流变离合器在可以避免电机与转动轴直接接触，提高电机的寿命。
（6）运用外骨骼式装置可以满足腿部和脚步各关节同时进行协调性康复训练的要求，提高了康复训练效率，缩短了康复周期。
附图说明
图1是本发明下肢康复训练装置结构图。
图2是本发明下肢康复训练装置机架结构图。
图3是本发明轮轴部驱动机构结构图。
图4是本发明腿部训练程度调节装置结构图。
图5是本发明腿部摆动幅度调节装置结构图。
图6是本发明脚踏曲柄装配结构图。
图7是本发明脚踏装置结构图。
图8是本发明下肢康复训练控制原理框图。
图9是本发明下肢被动康复训练流程图。
图10是本发明下肢主动康复训练流程图。
图中：1-前底座架；2-扶手架；3-后底座架；4-底座支撑板；5-座椅；6-轮轴部外壳；7-脚踏轮轴部；7-1-电机A；7-2-磁流变离合器A；7-3-磁流变阻尼器A；7-4-角度传感器A；7-5-同步传动轮；7-6-同步传送带；7-7-减速传动轮；7-8-减速带；7-9-轴承；7-10-轴承端盖；8-腿部调节装置；8-1-第一可调腿部杆；8-2-第二可调腿部杆；8-3-第一传动轮；8-4-传动带；8-5-传动齿轮；8-6-电磁接触器；8-7-调节齿条；8-8-磁流变离合器B；8-9-电机B；8-10支撑端；9-腿部摆动幅度调节装置；9-1-滚珠丝杆；9-2-电机C；9-3-电机装载座；9-4-摆动最短杆；9-5-摆动最长杆；9-6电机D；9-7-减速装置；10-脚踏曲柄；11-脚踏装置；11-1-脚踏绑带板；11-2-脚踏板；11-3-长螺钉；11-4-轴承；11-5-螺母；12-第一可调小腿杆；13-第二可调小腿杆；14-第一可调大腿杆；15-腿部绑带；16-第二可调大腿杆；17-可调小腿杆件；18-可调大腿杆件；19-最长杆；20-可调最短杆；21-磁流变阻尼器C；22-磁流变阻尼器B；23-压力传感器；24-角度传感器B；25-调节螺钉；26-调节螺钉；27-连接板；28-固定螺钉；29-座椅固定架；30-连接螺纹杆；31-弹簧；32-轴承；33-脚踏轴；34-螺母。
具体实施方式
如图1所示，一种幅度自动调节式腿部康复训练装置，包括固定支撑架，固定支撑架前端高位安装有可升降的扶手架2，固定支撑架后端高位安装有可升降的座椅固定架29，座椅固定架29上设有座椅5；
如图1、图3所示，固定支撑架上前侧安装有脚踏轮轴部7，脚踏轮轴部7包括轮轴部外壳6，轮轴部外壳6内设有旋转式的磁流变阻尼器A7-3，该磁流变阻尼器A7-3的中心轴沿左右水平方向，磁流变阻尼器A7-3的活塞杆两端分别从磁流变阻尼器A7-3中穿出形成连接头，两个连接头分别从轮轴部外壳6对应侧穿出，位于轮轴部外壳6内的其中一个连接头上同轴固定有减速传动轮7-7、同步传动轮，轮轴部外壳6内还设有电机A7-1、磁流变离合器A7-2、角度传感器A7-4，其中电机A7-1的输出轴与磁流变离合器A7-2的输入端同轴传动连接，磁流变离合器A7-2的输出端通过减速带7-8与减速传动轮7-7传动连接，角度传感器A7-4的检测轴同轴固定有另一同步传动轮7-5，两个同步传动轮之间通过同步传送带7-6传动连接；
如图1、图5所示，座椅固定架29的前架面上设有腿部摆动幅度调节装置9，腿部摆动幅度调节装置包括一对呈左右对称的摆动架9-8，两摆动架9-8后端分别铰接在座椅固定架29的前架面上，两摆动架9-8之间的座椅固定架 29前架面转动安装有中心轴沿左右水平方向的滚珠丝杆9-1，滚珠丝杆9-1上螺纹安装有电机装载座9-3，由电机装载座9-3与滚珠丝杆9-1构成滚珠丝杆螺母副，电机装载座9-3上固定有电机C9-2，电机C9-2的输出轴竖直设置，腿部摆动幅度调节装置还包括一个摆动最短杆9-4、两个摆动最长杆9-5，摆动最短杆9-4垂直于座椅固定架29前架面，摆动最短杆9-4后端固定在电机C9-2的输出轴轴端上，两个摆动最长杆9-5各自一端通过中心轴沿竖直方向的铰接轴铰接在摆动最短杆9-4前端，两个摆动最长杆9-5另一端呈左右对称展开，且每个摆动最长杆另一端分别铰接在对应侧的摆动架9-8内侧面前端位置，座椅固定架29的前架面上还设有电机D9-6，电机D9-6的输出轴通过减速装置9-7与滚珠丝杆9-1一端传动连接；
如图1、图4所示，腿部摆动幅度调节装置9中，每个摆动架9-8上还分别安装有腿部调节装置8，腿部调节装置8包括连接在摆动架9-8下端的第一可调腿部杆8-1、连接在摆动架9-8上端的第二可调腿部杆8-2，其中第一可调腿部杆8-1装进第二可调腿部杆8-2中的槽内，即可以相对其移动。第二可调腿部杆8-2上端通过中心轴沿左右水平方向的转轴转动安装有第一传动轮8-3，每个摆动架9-8内侧面中间成型为波浪面，波浪面向后水平连接有电磁接触器8-6、筒状的支撑端8-10，波浪面后方的摆动架9-8内侧面上通过中心轴沿左右水平方向的转轴同轴转动安装有第二传动轮、传动齿轮8-5，其中第一传动轮8-3、第二传动轮之间通过传动带8-4传动连接，传动齿轮8-5与支撑端8-10后端之间设有竖直的调节齿条8-7，调节齿条8-7下端固定在第一可调腿部杆8-1内侧面上，支撑端8-10内装有压缩弹簧，压缩弹簧连接在调节齿条8-7和支撑端8-10内的筒底之间，电磁接触器8-6通电时吸附调节齿条8-7使压缩弹簧压缩在支撑端8-10内，电磁接触器8-6断电时调节齿条8-7在压缩弹簧回复力作用下与传动齿轮8-5传动啮合，第一可调腿部杆8-1内侧面还安装有电机B8-9、磁流变离合器B8-8，电机B8-9的输出轴沿左右水平方向，且电机B8-9的输出轴与磁流变离合器B8-8的输入端同轴传动连接；
如图1、图6、图7所示，还包括分别对应于人体左、右腿的腿部支撑件，以及分别对应于人体左、右脚的脚踏装置11；每侧腿部支撑件包括可调大腿杆件18和可调小腿杆件17，其中可调大腿杆件18通过绑带15绑在人体对应侧大腿上，可调小腿杆件17通过绑带绑在人体对应侧小腿上，每侧腿部支撑件中，可调大腿杆件18下端与可调小腿杆件上端17转动连接，且可调大腿杆件18、可调小腿杆件17转动连接处同轴安装有旋转式的磁流变阻尼器B22，每侧可调大腿杆件18上端与对应侧腿部调节装置8中的第一传动轮8-3的转轴转动连接，且可调大腿杆件18上端、第一传动轮8-3转轴转动连接处同轴安装有旋转式磁流变阻尼器C21和角度传感器B24，每侧的可调大腿杆件18底部分别向下铰接有最长杆19，最长杆19下端向上铰接有可调最短杆20，可调最短杆20上端与同侧的腿部调节装置8中磁流变离合器B8-8的输出端转动连接，在腿部调节装置与可调最短杆间转动处安装有压力传感器23，以检测两杆间压力，解除四杆机构自锁或调节训练幅度。由同侧的最长杆19、可调最短杆20、摆动架9-8、可调大腿杆件18构成四杆机构；
如图1所示，每侧的脚踏装置11通过绑带绑在人体对应脚上，每侧的脚踏装置11后端分别通过球铰链与同侧的可调小腿杆件17下端自由转动连接，每侧的脚踏装置11内侧与脚踏轮轴部7中磁流变阻尼器A7-3对应侧的连接头之间分别转动连接有脚踏曲柄10。
如图1所示，每个可调大腿杆件18分别是由第一可调大腿杆件14和第二可调大腿杆件16构成的伸缩杆结构，每个可调小腿杆件17分别是由第一可调小腿杆12和第二可调小腿杆13构成的伸缩杆结构。
如图1、图6和图7所示，每侧脚踏装置11由通过板面连接的脚踏绑带板11-1和脚踏板11-2构成，其中脚踏板11-2内沿左右方向安装有脚踏轴33，脚踏轴33一端从脚踏板11-2内侧面穿出，脚踏轴33穿出端同轴装入连接螺纹杆30内，且脚踏轴33与连接螺纹杆30之间设有弹簧31，脚踏曲柄10一端与连接螺纹杆30螺纹连接，脚踏曲柄10另一端与磁流变阻尼器A7-3对应侧的连接头转动连接。
如图1、图8所示，还包括传感控制系统，传感控制系统包括计算机、数据采集板卡、D/A转换器、电流控制器、电机控制器、A/D转换器，计算机与数据采集板卡双向通讯连接，角度传感器A7-4、角度传感器B24、压力传感器23的输出端一一对应与A/D转换器输入端连接，A/D转换器的输出端分别与数据采集板卡的输入端连接，数据采集板卡的输出端分别与D/A转换器的输入端连接，D/A 转换器的输出端与电流控制器的输入端相连接，电流控制器的输出端分别与磁流变阻尼器A7-3、磁流变阻尼器B22、磁流变阻尼器C21、磁流变离合器A7-2、磁流变离合器B8-8、电磁接触器8-6以及电机A7-1、电机B8-9、电机C9-2、电机D9-6的输入端连接。
如图1和图2所示，本发明包括前底座架1、扶手架2以及后底座架3作为整个机构的固定支撑架。后底座架3通过连接板27与座椅固定架29相装配，其中连接板27装入后底座架3的底座支撑杆内，另一端通过4个固定螺钉连接座椅固定架29，从而通过调节螺钉来能调节座椅高度。轮轴部外壳6与前底座架1通过一长梯形槽相固定，前底座架1的孔与后底座架3的轴相配配合，其中在其处装有调节螺钉26，来调节脚踏与座椅之间的距离。扶手架2和前底座架1同样以孔轴配合的形式装配，并通过调节螺钉25来调节扶手架的高度。
如图1所示，腿部的屈伸的驱动机构由可调大腿杆件18、可调小腿杆件17和腿部调节装置8组成，在可调大腿杆件18、可调小腿杆件17上均装有腿部绑带15，在腿关节处装有磁流变阻尼器B22，磁流变阻尼器B22通过一些凹槽固定在可调小腿杆上，在大腿处的髋关节装有磁流变阻尼器C21以及角度传感器B24。在可调小腿杆件17上的尾端这是采用球铰链与脚踏板33连接。可调大腿杆件18的转动机构是由最长杆19、可调最短杆20以及摆动架9-8组成的四杆机构，腿部调节装置8通过轴装配与座椅底架装配，从而可以使其绕摆动，并在可调最短杆20与腿部调节装置8转动中心处装有一个压力传感器23。
如图6和图7所示，脚踏装置11是由脚踏绑带板11-1和脚踏板11-2组成，其中脚踏绑带板11-1与踏板11-2通过一长螺钉11-3、轴承11-4以及一螺母11-5连接。脚踏装置通过连接螺纹杆30与脚踏曲柄螺纹配合连接，脚踏轴33一端与弹簧31接触装入连接螺纹杆30内，另一端则与轴承32配合装入脚踏板11-2内，通过螺母34固定，这样可以使脚踏板相对于曲柄有位置移动。
如图1和如图3所示，脚踏轮轴部7通过固定装入轮轴部外壳6，从而完全固定定位在支架上。在脚踏轮轴部7内。两侧轴承端盖7-10分别通过4个螺定固定在外壳上，两侧轴承7-9对应装入外壳凸缘内。其中轴承端盖7-10、轴承7-9、减速传动轮7-7、同步传动轮7-5以及与轴端轴套完成在轴上的定位。角度传感器A通过4个螺钉固定在轮轴部外壳6，并通过同步传送带7-6连接两个同步传动轮。电机A7-1和磁流变离合器A7-2采用4个螺钉固定在轮轴部外壳6上，减速带7-8连接减速传动轮7-7与磁流变离合器A7-2的输出端，从而传递电机A和磁流变离合器A7- 2的转动。
如图1和如图4所示 ：腿部调节装置8是由第一和第二可调腿部杆8-1和8-2、传动轮8-3、传动带8-4、传动齿轮8-5、电磁接触器8-6、调节齿条8-7、磁流变离合器B8-8以及电机B8-9构成。传动轮8-3通过平键与可调大腿杆件18连接。传动带8-4连接传动齿轮8-5和传动轮8-3，其中传动齿轮8-5上的齿轮可与齿条8-6啮合传动。可调节齿条8-6的两端固定在支撑端8-10上，支撑端内装有压缩弹簧，齿条一侧固定压缩在第一可调腿部杆8-1上，另一端则安装在第二可调腿部杆8-2的支撑端上；当电磁接触器8-6断开后，齿轮齿条即可以啮合。电机B8-9通过两个螺钉固定在第一可调腿部杆8-1上，磁流变离合器B8-8与第一可调腿部杆8-1通过两侧凸缘相固定连接。
如图1和如图5所示 ：腿部摆动幅度调节装置9包括两个四杆机构级包括：一个公用摆动最短杆9-4、两个摆动最长杆9-5、两侧摆动架和固定座椅架。两个摆动最长杆9-5的两端分别与两侧摆动架和一个摆动最短杆9-4向连接构成转动副。腿部摆动幅度调节装置9也包括滚珠丝杆9-1、电机C9-2、电机装载装置9-3、电机D9-6和减速装置9-7；电机装载装置9-3的一侧是固定螺母与滚珠丝杆9-1相配和，滚珠丝杆9-1则是轴向固定在两端支架上，电机装载装置9-3的另一侧为支撑孔，电机C9-2转动轴穿过支撑孔与摆动最短杆9-4通过平键连接传递扭矩。电机D9-6通过螺钉固定在固定座椅架上，电机D9-6转动轴与减速装置9-7通过平键连接，减速装置9-7的另一侧与滚珠丝杆9-1通过键连接传递转动，从而可以实现在训练中腿部摆动幅度调节。
一种幅度自动调节式腿部康复训练装置的控制方法，分为用于被动训练方法和主动训练的控制方法。其中：
如图9所示，被动训练时的控制方法具体实施步骤如下：
步骤一：进行系统初始化，磁流变阻尼器和磁流变离合器均处于失电状态，且各处的电机也均处于断电状态。同时由计算机发出指令开启传感与控制系统；
步骤二：患者在医生的帮助下，先自行进行腿部的运动训练。在下肢的屈伸过程中，分别记录下腿部可调最短杆长度以及角度传感器A、B分别采集大腿部和脚踏部的转动信号。
步骤三：根据上步的患者自我康复训练中，选择在其最大的摆动角度处的最短杆长度。所采集的角度信号经A/D转换器后输入数据采集板卡，由计算机脚踏处电机的反转周期以及两处磁流变离合器所需要的电流值，调整脚踏轮轴和腿部最短杆的转速，使之适应病人的需求。
步骤四：在无医生帮助下，由计算机发出开机指令，开启轮轴部和腿部的电机以及向两处磁流变离合器处输出相应的电流值；
步骤五：由计算机发出指令向数据采集板卡输出控制信号，经D/A转化器后控制电流控制器的输出电流，腿部最短轴在电机和磁流变离合器B的控制配合下，以合适的角速度转动，以四杆机构驱动大腿杆的周期性摆动，从而带动腿部的屈伸运动训练。同时在脚踏轮轴在磁流变离合器A的控制下与腿部的屈伸运动保持合适的转速和周期。其反转的方式为：例如在左腿在屈伸的训练中，当患者的左腿部达到其伸展的最大角度时，此时右腿在其最大的程度下的屈缩状态下。轮轴部的脚踏此时开始反转，直至其达到左腿在最大程度的屈缩以及右腿在最大角度的伸展状态。则在此两次的反转周期中，下肢完成一次屈伸的康复训练，根据实时采集的角度信号实时调整磁流变离合器的电流值，辅助患者完成下肢的康复训练。
步骤六：患者可主动通过计算机发出指令，由计算机向数据采集板卡输出控制信号，经D/A转化器后控制电流控制器的输出电流，在计算机向腿部摆动处的电机C发指令，电机驱动两幅四杆机构带动腿部的周期性摆动。在训练中，患者也可通过计算机同时向腿部摆动处的电机D发出指令，这样会改变两腿部的摆动幅度，可以在主动调节幅度下完成腿部的康复训练。
步骤七：重复步骤五与步骤六，直至训练结束。由计算机发出停机指令，依次关闭各处电机、传感与控制系统，停止信号采集和数据处理。
如图10所示，主动训练方法时的控制方法具体实施步骤如下：
步骤一：进行系统初始化，磁流变阻尼器和磁流变离合器均处于失电状态，且各处的电机也均处于断电状态。同时由计算机发出指令开启传感与控制系统。
步骤二：患者穿戴装置，自行完成腿的屈伸和脚处的运动动作，在下肢整体协调运动中，角度传感器A、B分别采集下肢大腿部和脚踏轮轴部的角度信号；两个压力传感器同时采集大腿驱动四杆机构中固定架与可调最短杆之间的压力信号。
步骤三：所采集的角度信号经A/D转换器后输入数据采集板卡，由计算机求得各处磁流变阻尼器A、B、C中需要提供的控制电流值。
步骤四：所采集的压力信号由A/D 转换器后输入数据采集板卡，有计算机判断机构是否处于自锁状态，若是，则由计算机向电机B、磁流变离合器B和电磁接触器发送指令，被动运动减少固定长度的可调腿部杆长，调整腿部的可训练程度。若否，则继续进行下一步的训练。
步骤五:在接下来的下肢运动训练中，根据步骤三中求得的磁流变阻尼器 A、B、C控制电流值，由计算机向数据采集板卡输出控制信号，经 D/A 转换器后控电流控制器的输出电流，使得下肢在训练过程中感受到阻尼力，并根据下肢的康复效果，调整通入电流大小直至行程结束。
步骤六:重复步骤三～步骤五，直至训练结束。由计算机发出停机指令，
依次关闭各处电机、传感与控制系统，停止信号采集和数据处理。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种幅度自动调节脚踏式腿部康复装置的控制方法，其特征在于：实施所述控制方法的幅度自动调节脚踏式腿部康复装置，包括固定支撑架，固定支撑架前端高位安装有可升降的扶手架，固定支撑架后端高位安装有可升降的座椅固定架，座椅固定架上设有座椅；
固定支撑架上前侧安装有脚踏轮轴部，所述脚踏轮轴部包括轮轴部外壳，轮轴部外壳内设有旋转式的磁流变阻尼器A，该磁流变阻尼器A的中心轴沿左右水平方向，磁流变阻尼器A的活塞杆两端分别从磁流变阻尼器A中穿出形成连接头，两个连接头分别从轮轴部外壳对应侧穿出，位于轮轴部外壳内的其中一个连接头上同轴固定有减速传动轮、同步传动轮，轮轴部外壳内还设有电机A、磁流变离合器A、角度传感器A，其中电机A的输出轴与磁流变离合器A的输入端同轴传动连接，磁流变离合器A的输出端通过减速带与减速传动轮传动连接，角度传感器A的检测轴同轴固定有另一同步传动轮，两个同步传动轮之间通过同步传送带传动连接；
座椅固定架的前架面上设有腿部摆动幅度调节装置，腿部摆动幅度调节装置包括一对呈左右对称的摆动架，两摆动架后端分别铰接在座椅固定架的前架面上，两摆动架之间的座椅固定架前架面转动安装有中心轴沿左右水平方向的滚珠丝杆，滚珠丝杆上螺纹安装有电机装载座，由电机装载座与滚珠丝杆构成滚珠丝杆螺母副，电机装载座上固定有电机C，电机C的输出轴竖直设置，腿部摆动幅度调节装置还包括一个摆动最短杆、两个摆动最长杆，摆动最短杆垂直于座椅固定架前架面，摆动最短杆后端固定在电机C的输出轴轴端上，两个摆动最长杆各自一端通过中心轴沿竖直方向的铰接轴铰接在摆动最短杆前端，两个摆动最长杆另一端呈左右对称展开，且每个摆动最长杆另一端分别铰接在对应侧的摆动架内侧面前端位置，座椅固定架的前架面上还设有电机D，电机D的输出轴通过减速装置与滚珠丝杆一端传动连接；
腿部摆动幅度调节装置中，每个摆动架上还分别安装有腿部调节装置，腿部调节装置包括连接在摆动架下端的第一可调腿部杆、连接在摆动架上端的第二可调腿部杆，其中第一可调腿部杆装进第二可调腿部杆中的槽内，即可以相对其移动，第二可调腿部杆上端通过中心轴沿左右水平方向的转轴转动安装有第一传动轮，每个摆动架内侧面中间成型为波浪面，波浪面向后水平连接有电磁接触器、筒状的支撑端，波浪面后方的摆动架内侧面上通过中心轴沿左右水平方向的转轴同轴转动安装有第二传动轮、传动齿轮，其中第一传动轮、第二传动轮之间通过传动带传动连接，传动齿轮与支撑端后端之间设有竖直的调节齿条，调节齿条下端固定在第一可调腿部杆内侧面上，支撑端内装有压缩弹簧，压缩弹簧连接在调节齿条和支撑端内的筒底之间，电磁接触器通电时吸附调节齿条使压缩弹簧压缩在支撑端内，电磁接触器断电时调节齿条在压缩弹簧回复力作用下与传动齿轮传动啮合，第一可调腿部杆内侧面还安装有电机B、磁流变离合器B，电机B的输出轴沿左右水平方向，且电机B的输出轴与磁流变离合器B的输入端同轴传动连接；
还包括分别对应于人体左、右腿的腿部支撑件，以及分别对应于人体左、右脚的脚踏装置；每侧腿部支撑件包括可调大腿杆件和可调小腿杆件，其中可调大腿杆件通过绑带绑在人体对应侧大腿上，可调小腿杆件通过绑带绑在人体对应侧小腿上，每侧腿部支撑件中，可调大腿杆件下端与可调小腿杆件上端转动连接，且可调大腿杆件、可调小腿杆件转动连接处同轴安装有旋转式的磁流变阻尼器B，每侧可调大腿杆件上端与对应侧腿部调节装置中的第一传动轮的转轴转动连接，且可调大腿杆件上端、第一传动轮转轴转动连接处同轴安装有旋转式磁流变阻尼器C和角度传感器B，每侧的可调大腿杆件底部分别向下铰接有最长杆，最长杆下端向上铰接有可调最短杆，可调最短杆上端与同侧的腿部调节装置中磁流变离合器B的输出端转动连接，在腿部调节装置与可调最短杆间转动处安装有压力传感器，以检测两杆间压力，解除四杆机构自锁或调节训练幅度，由同侧的最长杆、可调最短杆、摆动架、可调大腿杆件构成四杆机构；
每侧的脚踏装置通过绑带绑在人体对应脚上，每侧的脚踏装置后端分别通过球铰链与同侧的可调小腿杆件下端自由转动连接，每侧的脚踏装置内侧与脚踏轮轴部中磁流变阻尼器A对应侧的连接头之间分别转动连接有脚踏曲柄；
用于被动训练时的控制，包括以下步骤：
步骤一：进行系统初始化，磁流变阻尼器和磁流变离合器均处于失电状态，且各处的电机也均处于断电状态，同时由计算机发出指令开启传感与控制系统；
步骤二：患者在医生的帮助下，先自行进行腿部的运动训练，在下肢的屈伸过程中，分别记录下腿部可调最短杆长度以及角度传感器A、B分别采集大腿部和脚踏部的转动信号；
步骤三：根据上步的患者自我康复训练中，选择在其最大的摆动角度处的最短杆长度，所采集的角度信号经A/D转换器后输入数据采集板卡，由计算机脚踏处电机的反转周期以及两处磁流变离合器所需要的电流值，调整脚踏轮轴和腿部最短杆的转速，使装置在腿部与脚部的运动速度适应病人的要求；
步骤四：在无医生帮助下，由计算机发出开机指令，开启轮轴部和腿部的电机以及向两处磁流变离合器处输出相应的电流值；
步骤五：由计算机发出指令向数据采集板卡输出控制信号，经D/A转化器后控制电流控制器的输出电流，腿部最短轴在电机和磁流变离合器B的控制配合下，以合适的角速度转动，以四杆机构驱动大腿杆的周期性摆动，从而带动腿部的屈伸运动训练；同时在脚踏轮轴在磁流变离合器A的控制下与腿部的屈伸运动保持合适的转速和周期，其反转的方式为：一只腿在屈伸的训练中，当患者的该只腿达到其伸展的最大角度时，此时另一只腿在其最大的程度下的屈缩状态下，轮轴部的脚踏此时开始反转，直至其达到该只腿在最大程度的屈缩以及另一只腿在最大角度的伸展状态，则在此两次的反转周期中，下肢完成一次屈伸的康复训练，根据实时采集的角度信号实时调整磁流变离合器的电流值，辅助患者完成下肢的康复训练；
步骤六：患者可主动通过计算机发出指令，由计算机向数据采集板卡输出控制信号，经D/A转化器后控制电流控制器的输出电流，在计算机向腿部摆动处的电机C发指令，电机驱动两幅四杆机构带动腿部的周期性摆动，在训练中，患者可通过计算机同时向腿部摆动处的电机D发出指令，这样会改变两腿部的摆动幅度，可以在主动调节幅度下完成腿部的康复训练；
步骤七：重复步骤五～步骤六，直至训练结束，由计算机发出停机指令，依次关闭各处电机、传感与控制系统，停止信号采集和数据处理；
用于主动训练时的控制，包括以下步骤：
步骤一：进行系统初始化，磁流变阻尼器和磁流变离合器均处于失电状态，且各处的电机也均处于断电状态，同时由计算机发出指令开启传感与控制系统；
步骤二：患者穿戴装置，自行完成腿的屈伸和脚处的运动动作，在下肢整体协调运动中，角度传感器A、B分别采集下肢大腿部和脚踏轮轴部的角度信号；两个压力传感器同时采集大腿驱动四杆机构中固定架与最短杆的压力信号；
步骤三：所采集的角度信号经A/D转换器后输入数据采集板卡，由计算机求得各处磁流变阻尼器A、B、C中需要提供的控制电流值；
步骤四：所采集的压力信号由A/D 转换器后输入数据采集板卡，有计算机判断机构是否处于自锁状态，若是，则由计算机向电机B、磁流变离合器B和电磁接触器发送指令，被动运动减少固定长度的可调腿部杆长，调整腿部的可训练程度，若否，则继续进行下一步的训练；
步骤五：在接下来的下肢运动训练中，根据步骤三中求得的磁流变阻尼器 A、B、C控制电流值，由计算机向数据采集板卡输出控制信号，经D/A转换器后控电流控制器的输出电流，使得下肢在训练过程中感受到阻尼力，并根据下肢的康复效果，调整通入电流大小直至行程结束；
步骤六：重复步骤三～步骤五，直至训练结束，由计算机发出停机指令，依次关闭各处电机、传感与控制系统，停止信号采集和数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种幅度自动调节脚踏式腿部康复装置的控制方法，其特征在于：每个可调大腿杆件分别是由第一可调大腿杆件和第二可调大腿杆件构成的伸缩杆结构，每个可调小腿杆件分别是由第一可调小腿杆和第二可调小腿杆构成的伸缩杆结构。
3.根据权利要求1所述的一种幅度自动调节脚踏式腿部康复装置的控制方法，其特征在于：每侧脚踏装置由通过板面连接的脚踏绑带板和脚踏板构成，其中脚踏板内沿左右方向安装有脚踏轴，脚踏轴一端从脚踏板内侧面穿出，脚踏轴穿出端同轴装入连接螺纹杆内，且脚踏轴与连接螺纹杆之间设有弹簧，所述脚踏曲柄一端与连接螺纹杆螺纹连接，脚踏曲柄另一端与磁流变阻尼器A对应侧的连接头转动连接。
4.根据权利要求1所述的一种幅度自动调节脚踏式腿部康复装置的控制方法，其特征在于：还包括传感控制系统，传感控制系统包括计算机、数据采集板卡、D/A转换器、电流控制器、电机控制器、A/D转换器，计算机与数据采集板卡双向通讯连接，角度传感器A、角度传感器B、压力传感器的输出端一一对应与A/D转换器输入端连接，A/D转换器的输出端分别与数据采集板卡的输入端连接，数据采集板卡的输出端分别与D/A转换器的输入端连接，D/A转换器的输出端与电流控制器的输入端相连接，电流控制器的输出端分别与磁流变阻尼器A和B和C、磁流变离合器A和B、电磁接触器以及电机A和B和C和D的输入端连接。
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