CN110251832A - 一种自适应康复训练用踏车系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自适应康复训练用踏车系统，包括运动部件、中央控制模块、电刺激控制模块、电机控制模块、实时位置传感采集模块、血氧心率监测模块、虚拟现实VR显示模块和云端大数据模块；所述中央控制模块通过无线通讯与所述电刺激控制模块、电机控制模块、实时位置传感采集模块、血氧心率监测模块、虚拟现实VR显示模块和云端大数据模块连接；所述电机控制模块与运动部件电连接；所述中央控制模块、电刺激控制模块和电机控制模块形成闭环自适应控制。本申请解决了单纯踏车治疗过程中0‑3级患者肌肉无法主动参与的情况，解决了电刺激在肌肉收缩过程中提升阻力参与的情况，有效缓解健侧和患侧的平衡性。

Description

一种自适应康复训练用踏车系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗康复领域，具体涉及一种自适应康复训练用踏车系统系统。

背景技术

运动康复训练是目前应用最广泛的康复医疗项目，康复训练通常需要有四种训练模式或过程，即被动训练模式、助力训练模式、主动训练模式、阻尼训练模式。现有的康复训练装置主要是各种类型的CPM(Continuous Passive Motion，连续被动运动)机，CPM机可以实现被动模式，即机械臂带动人手关节进行往复的运动，少量的CPM机可以实现主动训练模式，但总的来说，CPM机结构过于简陋，功能单一，不能解决0-3级瘫痪患者康复过程的肌肉主动抗阻训练，不能解决患者治疗过程中的健侧与患侧的平衡性；低频电刺激仪不能稳定持续的输出运动肌群产生有效抗阻运动所需要的电流强度；不能解决多肌群的协同治疗；肌肉收缩时不能提供有效的抗阻。

但是随着电刺激性的可推广性越来越好，在电刺激领域不断地进行着技术革新，例如中国专利申请201510953497.3中公开了一种闭环的脑控功能性电刺激系统，其特征在于，所述系统包括：大脑运动皮层区信号采集模块、信息控制模块、刺激器、肢体动作采集模块和大脑额叶信号采集模块；其中，信息控制模块包括：信号预处理子模块，模式识别子模块，命令控制子模块。该发明提供的技术方案具有确保肢体动作识别的准确性，提高瘫痪患者的康复治疗效果的优点。

又如中国专利申请201610710139.4中公开了一种具有实时反馈功能性电刺激器，为了解决现有功能性电刺激器无法满足多样性的问题。包括主控制器、电源模块和模拟恒流输出模块；主控制器，根据上位机的指令，向模拟横流输出模块输出控制信号，还用于根据模拟横流输出模块的电流，修正向模拟横流输出模块输出控制信号；模拟横流输出模块，根据控制信号，输出相应波形的电流；电源模块，为主控制器和模拟横流输出模块提供工作电压。该发明的功能性电刺激器能够实时的接受上位机发出的控制指令来改变电刺激波形，并且能够接受反馈信号；并提供多种刺激模块和刺激脉冲的选择，能够满足多样性要求。现有专利CN105327451A提供了一种基于运动参数的电刺激康复踏车，包括机械部分和控制部分，所述机械部分包括基本运动部件和运动附件，所述基本运动部件包括基本运动曲轴和基本驱动电机，所述基本驱动电机通过皮带驱动基本运动曲轴，所述基本运动部件与运动附件组合形成实现康复功能的电刺激康复踏车。该发明提供的一种基于运动参数的电刺激康复踏车，能适合各种不同肌张力的患者使用，且能满足更多样的康复要求；电刺激的作用不仅能够组织胳膊或腿部各个肌肉群的协同运动，还起到使肌肉输出力最大、减少肌肉疲劳，刺激能够产生有规律的运动，延长训练时间；电刺激强度可变，有利于增强患者的主动意识，加快患者的康复进度。

而本发明设计一种自适应康复训练用踏车系统，肢体瘫痪患者快速提升肌肉力量，减少痉挛的发生，增加各肌群的协调性，延长治疗时间。

发明内容

本发明为克服现有技术中的缺陷，提供了一种自适应康复训练用踏车系统，实现减少痉挛的发生，增加各肌群的协调性。具体采用如下技术方案：

一种自适应康复训练用踏车系统，包括运动部件、中央控制模块、电刺激控制模块、电机控制模块、实时位置传感采集模块、血氧心率监测模块、虚拟现实VR显示模块和云端大数据模块；所述中央控制模块通过无线通讯与所述电刺激控制模块、电机控制模块、实时位置传感采集模块、血氧心率监测模块、虚拟现实VR显示模块和云端大数据模块连接；所述电机控制模块与运动部件电连接；所述中央控制模块、电刺激控制模块和电机控制模块形成闭环自适应控制。

具体地，所述运动部件包括电机、运动曲柄、运动曲轴、手握器和踏板，所述运动曲柄的一端设置所述手握器和脚踏板，所述运动曲柄的另一端与运动曲轴相连，所述电机用于驱动运动曲轴。

具体地，所述实时位置传感采集模块包括光电传感器和码盘，所述码盘设置在所述运动曲轴上。

一种自适应康复训练用踏车系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、对所述电刺激控制模块进行目标通道电刺激脉冲输出的自适应控制；

S2、对所述电机控制模块进行电机转速和电机扭矩的自适应控制，同时对所述电刺激模块进行电刺激电流强度的自适应控制。

具体地，所述步骤S1中具体包括以下步骤：

S11、初始化所述系统中的各参数；

S12、判断电刺激控制是否为自适应，若是，所述电刺激控制模块根据自适应算法控制输出电流的大小，若否，所述电刺激控制模块根据用户设定的初始电刺激电流强度控制输出电流；

S13、所述中央控制模块接收所述血氧心率监测模块和所述实时位置传感采集模块获取的数据后，计算出曲柄角度并明确需要电刺激的肌肉；然后所述中央控制模块向所述电刺激控制模块发送控制命令；

S14、所述电刺激控制模块根据所述控制命令进行目标通道的电刺激脉冲输出的自适应控制；

S15、判断初次训练是否结束，若是，进入下一步训练，若否，返回步骤S13。

具体地，所述步骤S13中的数据包括血氧心率值和踏板实时位置。

具体地，步骤S13中所述中央控制模块还接收所述电机控制模块获取的电机转速、电机电流和扭矩，计算得到功率。

具体地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、用户设定目标值；

S22、所述中央控制模块接收所述电机控制模块获取的电机转速和电机扭矩以及所述系统的减速比后，计算出实时动态值，然后将实时动态值与所述目标值进行实时对比，得到对比结果；

S23、根据步骤S22中的对比结果向所述电机控制模块和电刺激控制模块发送控制命令，所述电机控制模块根据控制命令进行电机转速和电机扭矩的自适应控制，同时所述电刺激控制模块根据控制命令进行电刺激电流强度的自适应控制；

S24、判断训练是否结束，若是，所述系统关闭，若否，返回步骤S22。

具体地，所述步骤S21中的目标值包括目标速度和目标阻力，所述步骤S22中的实时动态值包括实时运动速度和实时运动阻力；其中，实时运动速度采用下列公式计算：

上述公式中Pos_i+1为t_i+1时的码盘位置，Pos_i为t_i时的码盘位置。

具体地，所述步骤S21中还包括初始化所述电刺激控制模块的输出电流强度。

所述自适应康复训练用踏车系统实现自适应控制的原理为：

当阻力不变时，实时运动速度达不到目标速度时，电刺激电流值在目标电刺激电流值的下方，持续提升至目标电刺激电流值。当电刺激电流值持续输出一段时间的目标电刺激电流值时，软件中的阻力设定自行调整降低一定比例，使实时运动速度与目标速度接近；当治疗过程中实时运动速度突破目标速度，电刺激电流值持续下降，直至0mA。当电刺激电流值持续输出一段时间的0mA时，软件中的阻力设定自行调整升高一定比例，使治疗强度提升，电刺激电流值介入突破0mA。

本发明的有益效果是：

1)阻力、速度与电刺激强度三者动态调整，能够准确判定现阶段的患者的能力，使治疗能够始终处于一个逐步上升的过程中；

2)所述控制系统能够使踏车与电刺激的使用结合在一起，解决了单纯踏车治疗过程中0-3级患者肌肉无法主动参与的情况，解决了电刺激在肌肉收缩过程中提升阻力参与的情况；

3)电刺激控制模块实现多通道双向电流输出，电流强度、频率、脉宽、波形的精确控制，其中多通道是为了解决患者全身多块瘫痪肌群的同步治疗。能够解决治疗过程中的多肌群协调问题减少痉挛的发生；

4)电流波形及频率、脉宽的选择性是为解决患者治疗过程中的舒适性；电流的可选择区间是为了解决人体不同肌群对电流的可适应性，解决患者大肌群的治疗所需要的电流量；电流的双向输出是为了能够延长患者一倍的治疗时间；

5)运动部件能够实现包括骑行圆周运动、蹬踏圆周运动、步行减重运动，解决患者治疗过程中的阻力问题。

附图说明

图1为本发明自适应康复训练用踏车系统架构图；

图2为本发明对电刺激脉冲输出的自适应控制算法流程图；

图3为本发明电机控制模块和电刺激控制模块的自适应控制算法流程图。

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。

实施例1

一种自适应康复训练用踏车系统，包括运动部件、中央控制模块、电刺激控制模块、电机控制模块、实时位置传感采集模块、血氧心率监测模块、虚拟现实VR显示模块和云端大数据模块；中央控制模块通过蓝牙/WIFI与电刺激控制模块、电机控制模块、实时位置传感采集模块、血氧心率监测模块、虚拟现实VR显示模块、云端大数据模块进行通信，完成控制命令和数据的传输。电机控制模块将电机转速和电机扭矩信息传输到中央控制模块。血氧心率监测模块将实时血氧、心率信息传输到中央控制模块。实时位置传感采集模块将实时曲柄位置信息传输到中央控制模块。中央控制模块将实时运动场景信息传输到虚拟现实VR显示模块。中央控制模块与云端大数据模块完成用户信息、运动配置信息和运动过程信息的双向数据同步。

所述电机控制模块与运动部件电连接；所述运动部件包括电机、运动曲柄、运动曲轴、手握器和踏板，所述运动曲柄的一端设置所述手握器和脚踏板，所述运动曲柄的另一端与运动曲轴相连，所述电机用于驱动运动曲轴。所述实时位置传感采集模块包括光电传感器和码盘，所述码盘设置在所述运动曲轴上。所述中央控制模块、电刺激控制模块和电机控制模块形成闭环自适应控制。

对于用户首次使用该系统或非首次使用但需要重新确认目标刺激肌肉时，其控制方法包括以下步骤：

S1、对所述电刺激控制模块进行目标通道电刺激脉冲输出的自适应控制，如图2所示，具体包括：

S11、首先给系统加电，中央控制模块通过蓝牙或Wi-Fi与其他模块连接，发送激活指令是各模块运行；系统进行初始化，设定中央控制模块软件运动训练程序参数，包括目标速度，目标阻力和初始电刺激电流强度；

S12、判断电刺激控制是否为自适应，若是，所述电刺激控制模块根据自适应算法控制输出电流的大小，若否，所述电刺激控制模块根据用户设定的控制输出电流的大小；

S13、中央控制模块软件根据血氧心率监测模块获取到的血氧心率值，以及实时位置传感采集模块获取到的踏板实时位置，进行曲柄角度和目标刺激肌肉的实时计算；

S14、通过上述步骤得到的结果，向电刺激控制模块发送控制命令，使其进行目标通道的电刺激脉冲输出的自适应控制；

S15、判断初次训练是否结束，若是，进入下一步训练，若否，返回步骤S13。

S2、对所述电机控制模块进行电机转速和电机扭矩的自适应控制，同时对所述电刺激模块进行电刺激电流强度的自适应控制，具体包括：

S21、中央控制模块从电机控制模块获取电机转速和电机扭矩，系统标定减速比，然后中央控制模块实时计算主动运动过程中的实时运动速度和实时运动阻力，并与用户设定目标速度和目标阻力进行实时比对；其中，实时运动速度采用下列公式计算：

上述公式中Pos_i+1为t_i+1时的码盘位置，Pos_i为t_i时的码盘位置；

S22、根据上述比对结果，发送控制命令通知电机控制模块进行电机转速和电机扭矩的自适应控制，通过控制命令通知电刺激控制模块进行电刺激电流强度的自适应控制，实现主动循环运动的肌肉电刺激自适应闭环控制；

比对结果具体包括：

当实时运动阻力不变且实时运动速度达不到目标速度时，电刺激电流值小于目标电刺激电流值，所述电刺激控制模块根据控制命令将持续提升至目标电刺激电流值；当电刺激电流值持续5分钟输出目标电刺激电流值时，所述电机控制模块根据控制命令将实时运动阻力设定自行调整降低一定比例，使实时运动速度与目标速度接近；

当治疗过程中实时运动速度突破目标速度时，所述电刺激控制模块根据控制命令将持续减小电刺激电流值至0mA；当电刺激电流值持续1分钟输出为0mA时，所述电机控制模块根据控制命令将实时运动阻力设定自行调整升高一定比例，使治疗强度提升，所述电刺激控制模块的电刺激电流值输出值突破0mA；

S23、判断训练是否结束，若是，所述系统关闭，若否，返回步骤S21。

实施例2

与实施例1相比，其区别在于，对于用户非首次使用本系统且无需进行确认目标刺激肌肉时，其控制方法直接进行步骤S2，即所述电机控制模块进行电机转速和电机扭矩的自适应控制，同时对所述电刺激模块进行电刺激电流强度的自适应控制，如图3所示，具体包括：

S21、运动训练开始后，用户通过中央控制模块设定目标速度，目标阻力和初始电刺激电流强度；

S22、中央控制模块从电机控制模块获取电机转速和电机扭矩，系统标定减速比，然后中央控制模块实时计算主动运动过程中的实时运动速度和实时运动阻力，并与用户设定目标速度和目标阻力进行实时比对；其中，实时运动速度采用下列公式计算：

上述公式中Pos_i+1为t_i+1时的码盘位置，Pos_i为t_i时的码盘位置；

S23、根据上述比对结果，发送控制命令通知电机控制模块进行电机转速和电机扭矩的自适应控制，通过控制命令通知电刺激控制模块进行电刺激电流强度的自适应控制，实现主动循环运动的肌肉电刺激自适应闭环控制；

比对结果具体包括：

当实时运动阻力不变且实时运动速度达不到目标速度时，电刺激电流值小于目标电刺激电流值，所述电刺激控制模块根据控制命令将持续提升至目标电刺激电流值；当电刺激电流值持续5分钟输出目标电刺激电流值时，所述电机控制模块根据控制命令将实时运动阻力设定自行调整降低一定比例，使实时运动速度与目标速度接近；

当治疗过程中实时运动速度突破目标速度时，所述电刺激控制模块根据控制命令将持续减小电刺激电流值至0mA；当电刺激电流值持续1分钟输出为0mA时，所述电机控制模块根据控制命令将实时运动阻力设定自行调整升高一定比例，使治疗强度提升，所述电刺激控制模块的电刺激电流值输出值突破0mA；

S24、判断训练是否结束，若是，所述系统关闭，若否，返回步骤S22。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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之内。

Claims (10)

1.一种自适应康复训练用踏车系统，其特征在于，包括运动部件、中央控制模块、电刺激控制模块、电机控制模块、实时位置传感采集模块、血氧心率监测模块、虚拟现实VR显示模块和云端大数据模块；所述中央控制模块通过无线通讯与所述电刺激控制模块、电机控制模块、实时位置传感采集模块、血氧心率监测模块、虚拟现实VR显示模块和云端大数据模块连接；所述电机控制模块与运动部件电连接；所述中央控制模块、电刺激控制模块和电机控制模块形成闭环自适应控制。

2.根据权利要求1所述的自适应康复训练用踏车系统，其特征在于，所述运动部件包括电机、运动曲柄、运动曲轴、手握器和踏板，所述运动曲柄的一端设置所述手握器和脚踏板，所述运动曲柄的另一端与运动曲轴相连，所述电机用于驱动运动曲轴。

3.根据权利要求1所述的自适应康复训练用踏车系统，其特征在于，所述实时位置传感采集模块包括光电传感器和码盘，所述码盘设置在所述运动曲轴上。

4.一种根据权利要求1-3任一项所述的自适应康复训练用踏车系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对所述电刺激控制模块进行目标通道电刺激脉冲输出的自适应控制；

S2、对所述电机控制模块进行电机转速和电机扭矩的自适应控制，同时对所述电刺激模块进行电刺激电流强度的自适应控制。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中具体包括以下步骤：

S11、初始化所述系统中的各参数；

S12、判断电刺激控制是否为自适应，若是，所述电刺激控制模块根据自适应算法控制输出电流的大小，若否，所述电刺激控制模块根据用户设定控制输出电流的大小；

S13、所述中央控制模块接收所述血氧心率监测模块和所述实时位置传感采集模块获取的数据后，计算出曲柄角度并明确需要电刺激的肌肉；然后所述中央控制模块向所述电刺激控制模块发送控制命令；

S14、所述电刺激控制模块根据所述控制命令进行目标通道的电刺激脉冲输出的自适应控制；

S15、判断初次训练是否结束，若是，进行下一步训练，若否，返回步骤S13。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S13中的数据包括血氧心率值和踏板实时位置。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，步骤S13中所述中央控制模块还接收所述电机控制模块获取的电机转速、电机电流和扭矩，计算得到功率。

8.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、用户设定目标值；

S22、所述中央控制模块接收所述电机控制模块获取的电机转速和电机扭矩以及所述系统的减速比后，计算出实时动态值，然后将实时动态值与所述目标值进行实时对比，得到对比结果；

S23、根据步骤S22中的对比结果向所述电机控制模块和电刺激控制模块发送控制命令，所述电机控制模块根据控制命令进行电机转速和电机扭矩的自适应控制，同时所述电刺激控制模块根据控制命令进行电刺激电流强度的自适应控制；

S24、判断训练是否结束，若是，所述系统关闭，若否，返回步骤S22。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S21中的目标值包括目标速度和目标阻力，所述步骤S22中的实时动态值包括实时运动速度和实时运动阻力；其中，实时运动速度采用下列公式计算：

上述公式中Pos_i+1为t_i+1时的码盘位置，Pos_i为t_i时的码盘位置。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S21中还包括初始化所述电刺激控制模块的输出电流强度。