CN109124996B - 一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置及方法，涉及肌肉康复训练技术领域，其中一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置，包括轴承、扭矩传感器、伺服电机以及控制箱，所述控制箱包括控制器、电机驱动器以及传感器，所述扭矩传感器包括底座和转轴，所述底座通过谐波减速器与伺服电机连接，所述轴承上设置有承托支架，所述承托支架通过联轴器与所述转轴连接，所述控制器上设置有USB接口、脉冲宽度调制信号接口以及数字转换接口，所述电机驱动器上设置有模拟输出信号接口。本发明结构简单，操作方便，使用成本低，具有多种不同的康复训练模式，可以对训练过程进行综合评估，而且可以适用于不同的人不同部位的康复训练。
Description
技术领域
本发明涉及肌肉康复训练技术领域，
尤其是，本发明涉及一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置及方法。
背景技术
中国的老年人口数量逐年增加，至本世纪中叶，中国六十岁以上的老年人口数量将超过4亿。老年人的生理机能随着年龄的增长逐渐下降，尤其是肌肉力量，针对性的进行康复锻炼可以提高老年人的肌力水平。另外，我国有极大数量的肢体功能障碍以及运动神经受损患者，如果能及时进行肢体康复训练，可大大增强他们肢体的活动能力和运动神经的恢复。在医学康复领域，通过检查受试者在运动时肌肉群的收缩力量，来进一步测评肌肉的健康状况和肌力水平，可以用于 测定肌力下降的程度，以此为依据，判断肌力下降的原因及制定康复训练方案。在运动科研测试领域，肌力测试能准确评估运动员当前的肌力水平并据此制定训练计划的基本环节，提高肌力训练效率对于运动员来说至关重要。
那么，如何设计一种高效安全的具有综合评估功能的多模式康复训练装置或者康复训练方法，成为我们当前急需要解决的问题。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种结构简单，操作方便，使用成本低，具有多种不同的康复训练模式，可以对训练过程进行综合评估，而且可以适用于不同的人不同部位的康复训练的具有综合评估功能的多模式康复训练装置。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案得以实现的：
一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置，包括轴承、扭矩传感器、伺服电机以及用于控制所述伺服电机运行的控制箱，所述控制箱包括控制器、电机驱动器以及传感器，所述扭矩传感器包括底座和转轴，所述底座通过谐波减速器与伺服电机连接，所述轴承上设置有用于与患者关节连接的承托支架，所述承托支架通过联轴器与所述转轴连接，所述控制器上设置有用于与计算机电连接的通过USB接口、用于与所述电机驱动器电连接的脉冲宽度调制信号接口以及用于与所述扭矩传感器电连接的数字转换接口，所述电机驱动器上设置有用于与所述伺服电机电连接的模拟输出信号接口。
作为本发明的优选，所述控制器上还设置有用于与所述电机驱动器电连接的数字输出信号接口。
作为本发明的优选，所述承托支架至少有一部分为弧形。
作为本发明的优选，所述控制箱还包括用于为所述控制器进行供电的第一电源以及用于为所述电机驱动器进行供电的第二电源。
作为本发明的优选，所述传感器包括设置于所述控制箱内的温度传感器以及设置于所述控制箱外的角度传感器。
作为本发明的优选，所述控制器为myRIO-1900型控制器。
作为本发明的优选，电机驱动器为ESCON 50/5型电机驱动器。
作为本发明的优选，伺服电机为Maxon.EC60型伺服电机。
作为本发明的优选，谐波减速器为Harmonic，CSF-17-100-2UH-LW型谐波减速器。
作为本发明的优选，扭矩传感器为TQ-664F1型扭矩传感器。
本发明的另一目的在于扩大本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置的保护范围，提出一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法，该方法包括以下步骤：
S1：选取需要训练使用的承托支架，进行安装；
S2：控制器接收到具体康复训练模式信号；
S3：控制器发送脉冲宽度调制信号和数字信号至电机驱动器，电机驱动器控制伺服电机工作，从而带动轴承以及轴承上的承托支架转动；
S4：获取工作参数，反馈至计算机，对训练者的训练指标进行评估。
作为本发明的优选，执行步骤S2时，具体康复训练模式包括被动训练模式、等速训练模式、等张训练模式和等长训练模式。
作为本发明的优选，在执行步骤S3之前，需要设置设定训练速度值、承托支架正向最大角度值、承托支架反正向最大角度、反向保护力矩值、加速系数值以及减速系数值。
作为本发明的优选，执行步骤S4时，获取工作参数包括扭矩传感器参数、角度传感器参数以及温度传感器参数。
作为本发明的优选，在执行步骤S4之后，结束训练，输出训练评估报告。
本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置及方法有益效果在于：结构简单，操作方便，使用成本低，具有多种不同的康复训练模式，可以对训练过程进行综合评估，而且可以适用于不同的人不同部位的康复训练。
附图说明
图1为本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置的结构示意图；
图2为本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置的部分电路连接示意图；
图3为本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法的流程示意图；
图4为本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法中被动训练模式的训练控制流程图；
图5为本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法中等速训练模式的训练控制流程图；
图6为本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法中等长训练模式的训练控制流程图；
图7为本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法中等张训练模式的训练控制流程图；
图中：1、轴承，11、承托支架，12、联轴器，2、扭矩传感器，21、底座，22、转轴，23、谐波减速器，3、伺服电机，4、控制箱，41、控制器，411、USB接口，412、脉冲宽度调制信号接口，413、数字转换接口，414、数字输出信号接，42、电机驱动器，421、模拟输出信号接口，43、传感器，431、温度传感器，432、角度传感器，44、第一电源，45、第二电源，5、计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
中国的老年人口数量逐年增加，至本世纪中叶，中国六十岁以上的老年人口数量将超过4亿。老年人的生理机能随着年龄的增长逐渐下降，尤其是肌肉力量，针对性的进行康复锻炼可以提高老年人的肌力水平。另外，我国有极大数量的肢体功能障碍以及运动神经受损患者，如果能及时进行肢体康复训练，可大大增强他们肢体的活动能力和运动神经的恢复。在医学康复领域，通过检查受试者在运动时肌肉群的收缩力量，来进一步测评肌肉的健康状况和肌力水平，可以用于 测定肌力下降的程度，以此为依据，判断肌力下降的原因及制定康复训练方案。在运动科研测试领域，肌力测试能准确评估运动员当前的肌力水平并据此制定训练计划的基本环节，提高肌力训练效率对于运动员来说至关重要。
在医学康复领域和运动科研测试领域有被动训练，等长训练，等张训练，等速训练四种训练模式。被动训练能提高肢体运动功能，促进受伤部位组织再生。等长训练能有效地发展静力最大力量，静力耐力和提高肌肉收缩能力；可以使肌肉保持相对较长时间的最大用力，从而更加预防和降低肌肉收缩带来的危险；可以有选择地训练某些肌群，更有效地加强局部薄弱环节的康复锻炼；方法简单，可以在较短时间内以较少的能量消耗达到最大的肌紧张。等张训练能有效地发展肌肉爆发力；更好地发展神经肌肉的协调性，力量耐力和增大肌肉体积；可以使全身各运动环节的动作幅度达到最大限度，有利于提高肌肉的收缩速度；能使更多的的肌肉得到锻炼，并能产生良好的生理效应。等速训练的安全性较高，不容易造成肌肉的过度疲劳和酸痛、不容易造成运动性损伤，可以增强骨骼肌功能，可以作为骨关节和肌肉功能障碍和疾病的一种训练和治疗手段；可以使肌肉在关节活动范围的各个角度均受最大负荷，训练效率高，在肌肉的力量、耐力锻炼方面效果明显。通过改变等速训练的速度可以改变关节内的压力，增加对关节的本体感受性刺激，促进关节的灵活性，改善关节的运动功能。由于运动速度可预先设定，因此等速训练测试参数的可靠性高，可重复性好，是辅助诊断的可靠的客观指标。综合以上四种训练模式的康复训练系统目前广泛应用于老年康复、骨科康复、工伤康复、运动医学康复以及科研测试，对于伤病后的康复治疗，对加速损伤组织的恢复，促进运动功能的改善有良好作用。
那么本发明为了达到上述多种模式可选的进行康复训练，本发明具体方案如下：
实施例一：如图1、2所示，仅为本发明的其中一个实施例，一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置，包括轴承1、扭矩传感器2、伺服电机3以及用于控制所述伺服电机3运行的控制箱4，所述控制箱4包括控制器41、电机驱动器42以及传感器43，所述扭矩传感器2包括底座21和转轴22，所述底座21通过谐波减速器23与伺服电机3连接，所述轴承1上设置有用于与患者关节连接的承托支架11，所述承托支架11通过联轴器12与所述转轴22连接，所述控制器41上设置有用于与计算机5电连接的通过USB接口411、用于与所述电机驱动器42电连接的脉冲宽度调制信号接口412以及用于与所述扭矩传感器2电连接的数字转换接口413，所述电机驱动器42上设置有用于与所述伺服电机3电连接的模拟输出信号接口421。
首先控制器41控制电机驱动器42，驱动伺服电机3带动扭矩传感器2进行工作，扭矩传感器2的转轴22通过联轴器12带动所述承托支架11工作，引导训练者的关节进行运动，起到训练的效果。
然后训练者的关节进行训练时，由于训练者的身体素质的不同，承托支架11运动幅度也不同，训练关节通过承托支架11带动转轴22运动，扭矩传感器2通过转轴22和底座21之间产生的相对运动大小也不同，控制器41和电机驱动器42的运行功率也不同。
那么承托支架11转动参数、扭矩传感器2感应参数、控制器41和电机驱动器42的运行参数反馈给计算机5，计算机5对训练者的训练情况进行综合评估，得出更适合训练者的训练方案。
在这里，计算机5通过串行总线USB接口接入控制器，控制器41通过输出数字量信号和脉冲宽度调制信号接入电机驱动器42，电机驱动器42通过输出模拟量信号接入伺服电机3，伺服电机3通过输出编码器信号和霍尔信号接入电机驱动器42，扭矩传感器2、温度传感器431、角度传感器432均通过数字转换器接口接入控制器41。
这样结构简单，可以对训练者进行适当的训练，而且进行综合评估，训练效果更好。
而且承托支架11的型号有很多，通过更换不同的承托支架11，可以对肩关节、肘关节、腕关节、髋关节、膝关节及踝关节等不同关节进行训练。也可以针对训练者肥胖程度来进行调节承托支架11的大小。那么可以适用于不同的人不同部位的康复训练。
实施例二，仍如图1、2所示，依然为本发明的其中一个实施例，为了使得本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置更加的实用稳定，训练和评估效果好，本发明中还具有以下几个设计：
首先，所述控制器41上还设置有用于与所述电机驱动器42电连接的数字输出信号接口414。起到了通过数字输出信号端口控制电机驱动器的作用，更好的控制电机驱动器。
还有，所述承托支架11至少有一部分为弧形。那么承托支架11与关节之间配合更加好，方便训练的进行。
而且，所述控制箱4还包括用于为所述控制器41进行供电的第一电源44以及用于为所述电机驱动器42进行供电的第二电源45，第一电源44为12V直流电源，第二电源45为24V直流电源。
另外，所述传感器43包括设置于所述控制箱4内的温度传感器431以及设置于所述控制箱4外的角度传感器432。温度传感器431的功能是检测控制柜内温度，保护装置。角度传感器432安装于扭矩传感器2下方，功能是利用光电编码器原理检测承托支架角度。
需要注意的是，所述控制器41为myRIO-1900型控制器，该控制器是一种用来设计控制、机器人和机电一体化系统的便携式可重配置I/O的嵌入式设备，能提供数字、模拟输入和输出以及音频和电源输出，并且能通过USB连接到计算机5。电机驱动器42为ESCON 50/5型电机驱动器，该驱动器具有转速控制的四象限脉宽调制。伺服电机3为Maxon.EC60型伺服电机，该伺服电机具有低质量、无齿槽效应和低电磁串扰的特性。同时，它优良的线性特性和高加速性能让其适合各种各样的伺服系统。谐波减速器23为Harmonic，CSF-17-100-2UH-LW型谐波减速器，减速比可以根据用户需求设置，可设为100，用于放大伺服电机的输出转矩。扭矩传感器2为TQ-664F1型扭矩传感器，该扭矩传感器不同于传统的电压频率转换电路，通过转子上的高精度芯片，直接将应变电桥的微电压信号转换成数字信号，经过数字化技术处理过的信号在恶劣的电磁干扰环境下，也能有十分稳定的表现。同时，可以不间断测量正反向扭矩。温度传感器431为LM35D型温度传感器，该温度传感器精确的固有校准以及自身发热非常低和低输出阻抗的特性使得其不需要任何外部校准或修整。角度传感器432为AS5048A型角度传感器，该角度传感器使用自校准方法消除信号偏移和灵敏度漂移，所以理想情况下的最大系统精度达到0.05度。
最后，在训练过程中控制箱4上设置有显示屏，可实时显示康复训练过程中的参数，具体参数包括关节力矩—时间曲线，角度—时间曲线，转速—时间曲线；该专利同时具有综合评估功能，训练结束后可以计算评估指标，包含力矩峰值、单位体重的力矩峰值、达到最大功值的循环、方差系数、平均能量、加速时间、减速时间、强势肌肉/弱势肌肉比率等指标。
力矩峰值：循环当中肌肉力量的最大输出。显示出肌肉的潜在能量。
单位体重的力矩峰值：用单位体重的百分比来表示并和已建立的目标来比较。
达到最大功值的循环：本次循环在最大努力下的肌肉力量输出总值。体现在整个运动范围内肌肉产生力量的能力。
方差系数：用统计结果描述基于功能再现的测试可靠性。数值越小表示再现性越好。
平均能量：功的总量除以时间。功率代表单位时间肌肉作出的功。
加速时间：到达等动力速度所需的时间。代表肌肉在运动范围开始阶段控制肢体的神经肌肉性能。
减速时间：从等动力速度到完全停止之间所需的时间。代表肌肉在运动范围最后阶段控制肢体的神经肌肉性能。
强势肌肉/弱势肌肉比率：相对应的肌肉组比例。过度的不平衡会导致关节受伤。
那么本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置不仅结构简单，操作方便，使用成本低，而且具有多种不同的康复训练模式，可以对训练过程进行综合评估，可以适用于不同的人不同部位的康复训练。
实施例三，如图3所示，本发明的另一目的在于扩大本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置的保护范围，提出一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法，该方法包括以下步骤：
S1：选取需要训练使用的承托支架，进行安装；
S2：控制器接收到具体康复训练模式信号；
S3：控制器发送脉冲宽度调制信号和数字信号至电机驱动器，电机驱动器控制伺服电机工作，从而带动轴承以及轴承上的承托支架转动；
S4：获取工作参数，进行康复训练时反馈至计算机，对训练者的训练指标进行评估。
另外，执行步骤S2时，具体康复训练模式包括被动训练模式、等速训练模式、等张训练模式和等长训练模式。
被动训练模式下，康复训练装置带动受试者关节以恒定速度在指定范围内运动。
等速训练模式下，康复训练装置提供的阻力矩是一种自适应性力矩，始终与受试者肌肉收缩产生的关节主动力矩相等，受试者增加或减小关节主动力矩，等速设备相应减小或增加阻力矩，因此维持运动速度不变。等速收缩指的是指肌肉收缩运动时的速度恒定，运动过程中肌肉张力的大小不会改变运动速度。
等长训练模式下，康复训练装置使关节承托支架固定在用户指定位置，等长收缩指的是肌肉收缩时，肌纤维长度保持不变，因此不会产生关节运动，而此时肌肉的张力增加。
等张训练模式下，训练前设置阻力矩大小，开始训练时，康复训练装置输出所设置的恒定阻力矩。等张收缩指的是肌肉收缩时，肌肉内部张力保持不变，但肌肉纤维长度改变，从而产生关节运动。
等张训练模式控制过程包括加速、匀速、减速运动三个过程。加速运动：当关节作用力大于恒定阻力矩，开始加速运动。匀速运动：当检测到速度达到设备最大速度时，以最大速度运行。减速运动：当关节与设备交互力突然降低时，如关节作用力降低，或关节离开设备时，设置电机转速为0，设备停止运行。
还有，在执行步骤S3之前，需要设置设定训练速度值、承托支架正向最大角度值、承托支架反正向最大角度、反向保护力矩值、加速系数值以及减速系数值。
而且，执行步骤S4时，获取工作参数包括扭矩传感器参数、角度传感器参数以及温度传感器参数。
最后，在执行步骤S4之后，结束训练，输出训练评估报告。
实施例四，如图4-7所示，本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法，被动训练模式、等速训练模式、等张训练模式和等长训练模式四种康复训练模式的控制步骤进行仔细说明：
已经知道的是，训练时获取工作参数包括扭矩传感器参数、设定训练速度值、承托支架正向最大角度值、承托支架反正向最大角度、反向保护力矩值、加速系数以及减速系数。
图4为被动训练模式的训练控制流程图，
图5为等速训练模式的训练控制流程图，
图6为等长训练模式的训练控制流程图，
图7为等张训练模式的训练控制流程图，
根据附图，我们知道，在实际运用中，被动训练模式、等速训练模式、等张训练模式和等长训练模式这四种康复训练模式的获取工作参数各不相同：
被动训练模式：训练速度设定值、承托支架正向最大角度值、承托支架反向最大角度值，当点击换向按钮时，可以进行训练方向切换。
等速训练模式：训练速度设定值、承托支架正向最大角度值、承托支架反向最大角度值，反向保护力矩值，同样的，当点击换向按钮时，可以进行训练方向切换。
等长训练模式：训练速度设定值、用户指定训练位置，当点击换向按钮时，可以进行训练方向切换。
等张训练模式：阻力级别T0，承托支架正向最大角度θmax，承托支架反向最大角度θmin，加速系数a，减速系数d。
需要注意的是，图7中各个变量的含义如下，承托支架正向最大角度θmax(单位：度)，承托支架反向最大角度θmin(单位：度)，承托支架当前角度θ(单位：度)，训练速度设定值V(单位：度/秒)，Vn和Vn-1分别为n和n-1时刻的电机转速（单位：转/分钟），减速比R，电机转速设定值对应的PWM值Vpwm，电机使能信号Enable，电机方向信号Dire，扭矩值T(单位：牛·米)，阻力级别T0(单位：牛·米)，加速系数a(单位：转/(牛·米·分钟))，减速系数d(单位：转/(牛·米·分钟))。
且在等张训练模式下，本发明还设置了限位功能，即当等张运动超过设定的最大允许运动角度，设备具有自动停止运行功能，即设置电机转速为0；本发明设置了助启动功能，即在电机处于初始启动状态时设置电机转速为0.5，目的是为了克服启动时伺服电机转子的静摩擦力，方便患者操作；为了保证康复训练安全，本发明设置了急停安全按钮，当按下急停安全按钮时，切断电源，康复训练装置立即停止运行。
本发明一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置及方法结构简单，操作方便，使用成本低，具有多种不同的康复训练模式，可以对训练过程进行综合评估，而且可以适用于不同的人不同部位的康复训练。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置，其特征在于：包括轴承（1）、扭矩传感器（2）、伺服电机（3）以及用于控制所述伺服电机（3）运行的控制箱（4），所述控制箱（4）包括控制器（41）、电机驱动器（42）以及传感器（43），所述扭矩传感器（2）包括底座（21）和转轴（22），所述底座（21）通过谐波减速器（23）与伺服电机（3）连接，所述轴承（1）上设置有用于与患者关节连接的承托支架（11），所述承托支架（11）通过联轴器（12）与所述转轴（22）连接，所述控制器（41）上设置有用于与计算机（5）电连接的通过USB接口（411）、用于与所述电机驱动器（42）电连接的脉冲宽度调制信号接口（412）以及用于与所述扭矩传感器（2）电连接的数字转换接口（413），所述电机驱动器（42）上设置有用于与所述伺服电机（3）电连接的模拟输出信号接口（421）；所述承托支架（11）至少有一部分为弧形；所述控制箱（4）还包括用于为所述控制器（41）进行供电的第一电源（44）以及用于为所述电机驱动器（42）进行供电的第二电源（45）；所述传感器（43）包括设置于所述控制箱（4）内的温度传感器（431）以及设置于所述控制箱（4）外的角度传感器（432）；所述控制器（41）为myRIO-1900型控制器。
2.一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法，采用如权利要求1所述的一种具有综合评估功能的多模式康复训练装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：选取需要训练使用的承托支架，进行安装；
S2：控制器接收到具体康复训练模式信号；
S3：控制器发送脉冲宽度调制信号和数字信号至电机驱动器，电机驱动器控制伺服电机工作，从而带动轴承以及轴承上的承托支架转动；
S4：获取工作参数，反馈至计算机，对训练者的训练指标进行评估。
3.根据权利要求2所述的一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法，其特征在于：
执行步骤S2时，具体康复训练模式包括被动训练模式、等速训练模式、等张训练模式和等长训练模式。
4.根据权利要求2所述的一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法，其特征在于：
在执行步骤S3之前，需要设置设定训练速度值、承托支架正向最大角度值、承托支架反正向最大角度、反向保护力矩值、加速系数值以及减速系数值。
5.根据权利要求2所述的一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法，其特征在于：
执行步骤S4时，获取工作参数包括扭矩传感器参数、角度传感器参数以及温度传感器参数。
6.根据权利要求2所述的一种具有综合评估功能的多模式康复训练方法，其特征在于：
在执行步骤S4之后，结束训练，输出训练评估报告。
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