CN109364427A - 一种腿部肌肉训练器及其控制方法 - Google Patents
一种腿部肌肉训练器及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种腿部肌肉训练器及其控制方法,所述的腿部肌肉训练器包括外部框架、曲柄、曲柄轴支架、踏板、连杆、摇杆、摇杆支架、同步带、第一同步带轮、第二同步带轮、控制器、伺服电机、伺服驱动器;本发明所述的基于该装置的控制方法包括将腿部康复训练分为伺服电机提供动力带动腿部运动的被动训练模式和伺服电机提供阻尼需要腿部产生运动的主动运动模式,本发明使卧床不起的病人在病床上能够开展腿部肌肉训练和活动腿部关节,促进腿部血液的循环,被动模式和主动模式交替使用既能在训练中不断调整适合病人自身的训练方法,也能适应病人在不同的康复阶段得到合适的训练模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种肌肉训练器及其控制方法,具体是涉及一种腿部肌肉训练器及其控制方法。
背景技术
腿部无力的老年人、运动障碍患者、残疾人等往往缺乏运动,腿部会出现肌肉萎缩等问题,这些人往往借助康复机构康复和锻炼,传统的步态康复是由经验丰富的理疗师和专业的医疗人员提供,至少需要三个理疗师同时工作才能监测、辅助两条腿运动。随着机器人技术的发展,这一康复过程可由机器人替代,目前腿部康复机器人大多为外骨骼减重形式,将人体悬挂安置于跑步机上方,这样的形式对场地空间要求较高,不利于卧床的病人进行康复训练,同时现有的腿部肌肉训练器仅采用电机的动力带动腿部,让腿部肌肉被动地跟随电机运动而运动,而病人腿部恢复到一定程度时,还需要让腿部主动运动进行腿部肌肉的康复。
发明内容
发明目的:本发明提供一种腿部肌肉训练器,该装置能够使卧床的病人进行腿部肌肉的主动运动和被动运动的康复训练。本发明的另一目的是提供基于该装置的控制方法。
技术方案:一种腿部肌肉训练器,包括外部框架、曲柄、曲柄轴支架、踏板、连杆、摇杆、摇杆支架、同步带、第一同步带轮、第二同步带轮、控制器、伺服电机、伺服驱动器;所述外部框架为中空结构,且其底部能够竖立在一个平面上,控制器、伺服电机、伺服驱动器均固定在外部框架的顶部,伺服驱动器分别与控制器和伺服电机相连,伺服电机和第一同步带轮连接,曲柄与第二同步带轮连接,曲柄轴支架分别与曲柄和外部框架固定连接,第一同步带轮与第二同步带轮通过同步带连接,踏板分别与曲柄和连杆连接,摇杆分别与连杆和摇杆支架连接,摇杆支架与外部框架固定连接。
一种基于上述腿部肌肉训练器的控制方法,包括以下步骤:
a、训练器启动,控制器进入被动训练模式,即伺服电机选择速度控制模式,用户根据腿部训练需求,调节伺服电机的转速;
b、被动训练模式下,当控制器接收到一次加速信号时伺服电机速度增加值为对人体没有冲击感的变化量,由此完成一次加速并设定最高转速限制;当接收到减速信号时伺服电机速度减小值为对人体没有冲击感的变化量,由此完成一次减速并设定最低转速限制;
c、被动训练模式下,为控制器设定伺服电机转速的采样周期,每间隔双倍的采样周期,控制器利用前两次速度误差、当前速度误差并采用下列算法计算输出增量力矩并更新至伺服电机转速,
Δu(t)=(KP+Ki+Kd)e(k)+[-(KP+2Kd)]e(k-1)+Kde(k-2)
其中,KP为比例系数,KI为积分系数,KD为微分系数,e(k)为当前速度误差,e(k-1),e(k-2)分别为前两次速度误差,Δu(t)为输出增量力矩;
d、用户根据需要切换控制器进入主动训练模式,伺服电机选择力矩控制模式,用户根据腿部训练需求,调节伺服电机的输出力矩;
e、主动训练模式下,当控制器接收到一次加大阻尼信号时伺服电机阻尼力矩的增加值为对人体没有冲击感的变化量,由此完成一次增加阻尼力矩调节并设定最大阻尼转矩限制;当接收到一次减小阻尼信号时伺服电机阻尼力矩的减小值为对人体没有冲击感的变化量,由此完成一次减小阻尼力矩调节,并设定最低阻尼转矩限制;
f、主动训练模式下,为控制器设定检测伺服电机的角位移、速度的采样周期,并运用角位移计算伺服电机的加速度,每间隔双倍的采样周期,控制器根据下列算法计算阻尼力矩并更新伺服电机的阻尼力矩,
其中,τ为控制器输出阻尼力矩,m为伺服电机惯量,md为期望的惯量,d为伺服电机固有阻尼系数,dd为期望阻尼系数,为曲柄加速度,为曲柄速度。
有益效果:(1)本发明使卧床不起的病人在病床上能够开展腿部肌肉训练和活动腿部关节,促进腿部血液的循环。(2)本发明将腿部康复训练分为有伺服电机提供动力带动腿部运动的被动训练模式和伺服电机提供阻尼需要腿部运动的主动运动模式,既能在训练中不断调整适合病人自身的训练方法,也能适应病人在不同的康复阶段得到合适的训练模式。(3)本发明采用控制算法使伺服电机工作时在速度和力矩上保持稳定。(4)本发明结构简单、加工方便、成本较低,便于大规模推广使用。
附图说明
图1是腿部肌肉训练器的整体示意图;
图2是腿部肌肉训练器的控制流程图;
图3是腿部肌肉训练器的被动模式控制流程图;
图4是腿部肌肉训练器的主动模式控制流程图。
具体实施方式
如图1,一种腿部肌肉训练器,包括外部框架1、曲柄2、曲柄轴支架3、踏板4、连杆5、摇杆6、摇杆支架7、同步带8、第一同步带轮9、第二同步带轮10、控制器11、伺服电机12、伺服驱动器13;所述外部框架1为中空结构,且其底部能够竖立在一个平面上,控制器11、伺服电机12、伺服驱动器13均固定在外部框架1的顶部,伺服驱动器12分别与控制器11和伺服电机13相连,伺服电机13和第一同步带轮9连接,曲柄2与第二同步带轮10连接,曲柄轴支架3分别与曲柄2和外部框架1固定连接,第一同步带轮9与第二同步带轮10通过同步带8连接,踏板4分别与曲柄2和连杆5连接,摇杆6分别与连杆5和摇杆支架7连接,摇杆支架7与外部框架1固定连接。
从用户卧床不起这个基础出发,需要一个刚度较好的框架,便于移动并支撑整个康复训练器。医院病床的高度一般0.5m左右,宽度为0.9m,故外部框架1设计为整体高度为1.2m,宽度为1.4m,长0.8m,这样康复机构就可以和床进行匹配和抽离。用双曲柄摇杆机构,曲柄2提供动力,连杆5与摇杆6作为动力外骨骼用于辅助人的小腿和大腿的运动,穿戴时与粘扣带一起配合使用,使用户舒适。
两个曲柄之间的距离就是两个脚掌间的距离,该距离应略大于肩宽,采用同步带8和同步带轮传递动力。传动比需求为1:1,同步带轮选用8M-20齿的两个同步带轮,能保持特定的传动比。同步轮主要传递扭矩,而基本不受轴向力的作用,伺服电机12只提供扭矩,为保护电机轴不受到弯矩的作用,伺服电机12和同步带轮之间用联轴器14连接。为在机构上保证康复训练过程中的安全,联轴器采用扭力限制型安全联轴器TLC250-2,可限制扭矩范围14~54Nm,轴向插入,安装方便,能补偿安装误差,可以安装后调节打滑力矩,当力矩过大时,联轴器打滑,从而保证了人体的安全。
曲柄轴支架3使用6061铝合金材料制成,中间设计有带有法兰盘的保护罩,中间内孔与轴承支座的凸起配合,实现安装的定位,保证两端的轴承具有一定的同轴度。保护罩可以将同步带8和同步带轮隐藏起来,保护人体安全,同时保护罩有一定的刚度,可以防止两边支架扭转。考虑框架的高度、病床高度、小腿长度,设计支架整体长度为415mm,为保证支架有较好的刚度和强度的同时,尽量减轻整体机构的重量,支架有镂空减重设计。两个曲柄轴支架3之间还有空心法兰支撑,以保证支架的平行度。
如图2,一种基于上述腿部肌肉训练器的控制方法,包括以下步骤:
a、训练器启动,考虑到用户腿部不具备主动运动能力时,由训练器辅助进行被动康复训练,此时需要外骨骼连杆摇杆推动人下肢运动,伺服电机选择速度控制模式。控制器11进入被动训练模式,即伺服电机12选择速度控制模式,用户根据腿部训练需求,调节伺服电机12的转速;
b、被动训练模式下,当控制器11接收到一次加速信号时伺服电机12速度增加值为对人体没有冲击感的变化量,由此完成一次加速并设定最高转速限制;当接收到减速信号时伺服电机12速度减小值为对人体没有冲击感的变化量,由此完成一次减速并设定最低转速限制;具体的调节可以为:当控制器11接收到一次加速信号时伺服电机12速度增加值为每40~80ms速度增加值为1~2r/min,4~16s内完成一次加速;当接收到减速信号时伺服电机每40~80ms速度减小值为1~2r/min,4~16s内完成一次减速,这样缓慢的调节,人体就感受不到冲击;
c、如图3,被动训练模式下,匀速状态并没有消除静差的要求,所以选择经典的PID比例积分控制算法控制电机速度稳定,为控制器11设定伺服电机12转速的采样周期,具体采样周期可设为2ms,即控制器11以2ms为伺服电机12转速的采样周期,每间隔双倍的采样周期,即每4ms利用前两次速度误差、当前速度误差并采用下列算法计算输出增量力矩并更新至伺服电机12转速,
Δu(t)=(KP+Ki+Kd)e(k)+[-(KP+2Kd)]e(k-1)+Kde(k-2)
其中,KP为比例系数,KI为积分系数,KD为微分系数,e(k)为当前速度误差,e(k-1),e(k-2)分别为前两次速度误差,Δu(t)为输出增量力矩;
d、当用户腿部已经具备一定的运动能力时,由训练器辅助用户进行主动康复训练阶段,此时是人推动曲柄运动,因而曲柄应提供一定的阻尼效果,此时伺服电机选择力矩控制。伺服电机12选择力矩控制模式,用户根据腿部训练需求,调节伺服电机12的输出力矩;
e、主动训练模式下,当控制器11接收到一次加大阻尼信号时伺服电机12阻尼力矩的增加值为对人体没有冲击感的变化量,由此完成一次增加阻尼力矩调节并设定最大阻尼转矩限制;当接收到一次减小阻尼信号时伺服电机12阻尼力矩的减小值为对人体没有冲击感的变化量,由此完成一次减小阻尼力矩调节,并设定最低阻尼转矩限制;具体的调节可以为:当控制器11接收到一次加大阻尼信号时伺服电机12阻尼力矩的增加值为原阻尼系数的4~6%,每40~80ms的阻尼系数系数增加值为原阻尼系数的0.03~0.08%,4~8s内完成一次增加阻尼力矩调节;当控制器11接收到一次减小阻尼信号时伺服电机12阻尼力矩的减小值为原阻尼系数的4~6%,每40~80ms的阻尼系数减小值为原阻尼系数的0.03~0.08%,4~8s内完成一次减小阻尼力矩调节;
f、如图4,在主动模式下,为了控制伺服电机的阻尼力矩稳定,为控制器11设定检测伺服电机12的角位移、速度的采样周期,并运用角位移计算加速度,具体采样周期可设为2ms,即控制器11每2ms检测伺服电机12的角位移、速度,并运用角位移计算加速度;每间隔双倍的采样周期,即控制器11每4ms根据下列算法计算阻尼力矩并更新伺服电机12的阻尼力矩,
其中,τ为控制器11输出阻尼力矩,m为伺服电机12惯量,md为期望的惯量,d为伺服电机12固有阻尼系数,dd为期望阻尼系数,为曲柄2加速度,为曲柄2速度。
Claims (7)
1.一种腿部肌肉训练器,其特征在于:包括外部框架(1)、曲柄(2)、曲柄轴支架(3)、踏板(4)、连杆(5)、摇杆(6)、摇杆支架(7)、同步带(8)、第一同步带轮(9)、第二同步带轮(10)、控制器(11)、伺服电机(12)、伺服驱动器(13);外部框架(1)为中空结构,其底部竖立在一个平面上,控制器(11)、伺服电机(12)、伺服驱动器(13)均固定在外部框架(1)的顶部,伺服驱动器(12)分别与控制器(11)和伺服电机(13)相连,伺服电机(13)和第一同步带轮(9)连接,曲柄(2)与第二同步带轮(10)连接,曲柄轴支架(3)分别与曲柄(2)和外部框架(1)固定连接,第一同步带轮(9)与第二同步带轮(10)通过同步带(8)连接,踏板(4)分别与曲柄(2)和连杆(5)连接,摇杆(6)分别与连杆(5)和摇杆支架(7)连接,摇杆支架(7)与外部框架(1)固定连接。
2.根据权利要求1所述的腿部肌肉训练器,其特征在于:还包括一个联轴器(14),伺服电机(13)和第一同步带轮(9)用联轴器(14)连接。
3.根据权利要求1所述的腿部肌肉训练器,其特征在于:曲柄轴支架中间设置带有法兰盘的保护罩,将同步带(8)和第二同步带轮(10)罩起来。
4.根据权利要求1所述的腿部肌肉训练器,其特征在于:伺服电机(12)外部设置一个起保停电路。
5.一种基于权利要求1所述的腿部肌肉训练器的控制方法,其特征在于包括以下步骤:
a、训练器启动,控制器(11)进入被动训练模式,即伺服电机(12)选择速度控制模式,用户根据腿部训练需求,调节伺服电机(12)的转速;
b、被动训练模式下,当控制器(11)接收到一次加速信号时伺服电机(12)速度增加值为对人体没有冲击感的变化量,由此完成一次加速并设定最高转速限制;当接收到减速信号时伺服电机(12)速度减小值为对人体没有冲击感的变化量,由此完成一次减速并设定最低转速限制;
c、被动训练模式下,为控制器(11)设定伺服电机(12)转速的采样周期,每间隔双倍的采样周期,控制器(11)利用前两次速度误差、当前速度误差并采用下列算法计算输出增量力矩并更新至伺服电机(12)转速,
Δu(t)=(KP+Ki+Kd)e(k)+[-(KP+2Kd)]e(k-1)+Kde(k-2)
其中,KP为比例系数,KI为积分系数,KD为微分系数,e(k)为当前速度误差,e(k-1),e(k-2)分别为前两次速度误差,Δu(t)为输出增量力矩;
d、用户根据需要切换控制器(11)进入主动训练模式,伺服电机(12)选择力矩控制模式,用户根据腿部训练需求,调节伺服电机(12)的输出力矩;
e、主动训练模式下,当控制器(11)接收到一次加大阻尼信号时伺服电机(12)阻尼力矩的增加值为对人体没有冲击感的变化量,由此完成一次增加阻尼力矩调节并设定最大阻尼转矩限制;当接收到一次减小阻尼信号时伺服电机(12)阻尼力矩的减小值为对人体没有冲击感的变化量,由此完成一次减小阻尼力矩调节,并设定最低阻尼转矩限制;
f、主动训练模式下,为控制器(11)设定检测伺服电机(12)的角位移、速度的采样周期,并运用角位移计算伺服电机(12)的加速度,每间隔双倍的采样周期,控制器(11)根据下列算法计算阻尼力矩并更新伺服电机(12)的阻尼力矩,
其中,τ为控制器(11)输出阻尼力矩,m为伺服电机(12)惯量,md为期望的惯量,d为伺服电机(12)固有阻尼系数,dd为期望阻尼系数,为曲柄(2)加速度,为曲柄(2)速度。
6.根据权利要求5所述的腿部肌肉训练器的控制方法,其特征在于:步骤b还包括被动训练模式下,当控制器(11)接收到一次加速信号时伺服电机(12)速度增加值为每40~80ms速度增加值为1~2r/min,4~16s内完成一次加速;当接收到减速信号时伺服电机每40~80ms速度减小值为1~2r/min,4~16s内完成一次减速。
7.根据权利要求5所述的腿部肌肉训练器的控制方法,其特征在于:步骤e还包括主动训练模式下,当控制器接收到一次加大阻尼信号时伺服电机阻尼力矩的增加值为原阻尼系数的4~6%,每40~80ms的阻尼系数系数增加值为原阻尼系数的0.03~0.08%,4~8s内完成一次增加阻尼力矩调节;当接收到一次减小阻尼信号时伺服电机阻尼力矩的减小值为原阻尼系数的4~6%,每40~80ms的阻尼系数减小值为原阻尼系数的0.03~0.08%,4~8s内完成一次减小阻尼力矩调节。
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