CN111249113B - 用于医疗训练的智能训练方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及康复治疗技术领域，具体公开了用于医疗训练的智能训练方法及系统，通过确定当前智能训练系统选取为智能训练模式，在智能训练模式依次进行低速模式训练和高速模式训练；在低速模式下训练达到设定时间后，才能进入高速模式下进行训练，否则驱动机构过载；在高速模式下训练达到设定时间后，驱动机构过载。在驱动机构过载时，通过终断驱动机构的动力输出，或将驱动机构切换为低速模式，可以提升训练者进行医疗训练的安全性。

Description

用于医疗训练的智能训练方法及系统

技术领域

本发明涉及康复治疗技术领域，具体涉及用于医疗训练的智能训练方法及系统。

背景技术

随着科学技术的发展，健身训练器械已不再是机械零件的简单组合，而是集电子、机械、光电、传感技术、计算机技术及自动控制技术等多学科知识于一体的新型运动器械。训练者在这些器械上运动，包括下肢力量训练仪器在内，可使其训练质量大大提高，但也存在着一些不足，比如：涉及到个人训练时，其训练参数和方案一般是通过训练者的自我感觉或者健身教练的个人经验来设置、调整，无法实现真正意义上的训练方案针对性、科学性、有效性。从80年代开始，很多下肢力量训练仪器从国外进入中国，典型仪器设备有BIODEX、KINCOM、CYBEX、LIDO等。在目前已公开的专利文献中，国内专利CN202161761一种内外夹腿训练器械的阻尼装置和CN202169052一种关节力量训练器是依靠人主动带动装置本体训练的。专利CN101984946坐式外骨骼下肢康复机器人是针对医疗康复领域发明的一种下肢康复训练系统，可以由电机做动力源，在外骨骼机械框架的约束下带动人体下肢训练。国内专利CN102138801等速肌力测试系统公开了一种等速肌力测试系统，其涉及下肢训练装置，但是，这些专利文献内容并没有涉及根据训练者的下肢机能参数如何生成具体针对性的训练方案，以及评价训练方案完成质量；也无法实现通过系统来针对性的实时调整训练方案。

随着医疗康复科学技术的发展，康复治疗学成为了一门促进患者和残疾人身心功能康复的新的治疗学科。康复训练借鉴传统的健身训练器械的成果，目前，出现了多种康复设备，如单下肢踏步式康复设备、坐位式带轮式康复设备、纯机械连杆式康复设备。

但是，纯机械连杆的联动方式的控制缺乏柔性，自动化及智能化水平低；而患者自身通常难以承担高负荷，在智能化水平较低的情况下，患者可能再未经热身的情况下进入高强度的训练中；且患者在持续进行高强度训练的情况下，容易造成患者肌肉受伤，不仅不能达到治疗训练的目的，反而适得其反。因此，提高医疗训练的智能化，可以提高医疗训练的安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供用于医疗训练的智能训练方法及系统，以通过提高医疗训练的智能化，提高医疗训练的安全性。

用于医疗训练的智能训练方法，其特征在于，包括：

确定当前智能训练系统选取为智能训练模式，所述智能训练模式包括低速模式和高速模式；

根据所述智能训练模式下选取驱动机构运行模式，所述驱动机构运行模式包括连续运行和阶段运行；连续运行是驱动机构过载后，驱动机构切换为低速模式继续运行；阶段运行是驱动机构过载后，驱动机构停止运行；

根据所述智能训练模式依次进行低速模式训练和高速模式训练；

在低速模式下训练达到设定时间后，才能进入高速模式下进行训练，否则驱动机构过载；

在高速模式下训练达到设定时间后，驱动机构过载。

上述方案的有益效果在于：

在智能训练模式下，接受康复训练的人员跟随智能训练系统进行被动训练；且康复训练人员必须先经过在低速模式下训练后，再在高速模式下进行训练。其中低速模式下的训练相当于先对康复训练人员进行热身，然后再进入高速模式下进行训练，可以避免康复训练人员受伤。

在智能训练模式下，一方面可以防止康复训练人员直接进入高速训练模式。另外，当康复训练人员在高速模式下训练一定时间后，驱动机构将过载，从而根据康复训练人员的选择，驱动机构将停止运行或再次进入低速模式；无论是驱动机构停止还是在低速模式下运行，都可以使康复训练人员的肌肉得到休息，从而可以避免康复训练人员高负荷训练，导致康复训练人员肌肉受伤。

用于医疗训练的智能训练系统，包括训练执行部、驱动部以及智能控制模块；

所述驱动部包括伸缩机构和驱动机构，驱动机构为直线电机，伸缩机构包括铰接在机架上的缸体以及伸入缸体内的驱动杆，缸体的一端为开口的开口端，缸体的另一端为封闭的封闭端，缸体内设有可沿缸体轴向滑动的活塞，驱动杆的一端与活塞固定，驱动杆的另一端从缸体的封闭端伸出以驱动训练执行部运动；且直线电机的输出轴与活塞固定；

所述缸体内还设有将缸体的封闭端与活塞之间的空间分隔为吸气腔和负压腔的控制盘，吸气腔靠近缸体的封闭端一侧，负压腔靠近活塞一侧；气缸靠近封闭端的内壁上设有螺旋凹槽，控制盘的侧面设有嵌入螺旋凹槽的凸棱；控制盘仅能相对于驱动杆转动；

所述控制盘内设有沿径向设置的安装孔，且安装孔从凸棱穿出；安装孔内设有拉簧和可沿安装孔滑动的离心块，拉簧与离心块远离凸棱的一侧连接，安装孔远离凸棱的一端与负压腔连通；所述螺旋凹槽的底部设有多个可与离心块配合的限位槽，控制盘上设有进气单向阀，缸体的封闭端设有排气单向阀，进气单向阀的进气端连通负压腔，进气单向阀的排气端连通吸气腔，排气单向阀的进气端与吸气腔连通；

所述智能控制模块包括用以控制直线电机启停的控制器。

上述方案的有益效果在于：

(1)利用上述的智能训练系统进行康复训练时，由直线电机驱动缸体内的活塞往复运动，从而与活塞固定的驱动杆将带动训练执行部往复运行，康复训练人员跟随训练执行部运行，可以达到训练效果。活塞在缸体内沿缸体的轴向往复运动的同时，控制盘将跟随活塞一同往复运动，但设置在控制盘侧壁上的凸棱必须在螺旋凹槽内运动，从而控制盘将呈转动状态，设置在控制盘内的离心块将受到离心力并向外运动。当康复训练人员直接进入高速模式，离心块受到的离心力较大，从而离心块沿控制盘径向移动的距离增大，并嵌入限位槽内，使得活塞突然受到制动力，则直线电机过载，以终止进入高速模式。

(2)直线电机在低速模式下运行时，控制盘将往复挤压吸气腔内的空气，从而吸气腔将吸出负压腔内的空气，当在低速模式下运行一段时间后，负压腔内将呈负压状态；由于安装孔远离凸棱的一端与负压腔连通，因此负压腔将对离心块产生吸力，相当于拉簧的劲度系数增大，即控制盘以同样的速度转动时，在负压腔内呈负压状态时，离心块向外滑动的行程较短。当直线电机从低速状态运行一段时间后进入高速状态时，由于负压腔内达到了一定的负压值，因此直线电机即使在高速模式下运行，离心块也不会嵌入限位槽内，从而训练执行部可以持续在高速模式下运动；以此，康复训练人员在训练时，必须由低速模式进入高速模式。

优选方案一：作为对基础方案的进一步优化，所述缸体的侧壁上设有与可使负压腔与外部连通的阀门。通过控制阀门可以释放负压腔内的负压状态，从而将驱动部复位。

优选方案二：作为对优选方案一的进一步优化，所述阀门包括固定在缸体上的阀座和设于阀座内的阀芯；阀座上设有与外部连通并可被阀芯封堵的进气口，阀座内设有与负压腔连通的弹簧腔，弹簧腔内设有与阀芯的一端相抵的压簧；阀芯内设有第一通道，当负压腔内的压力达到设定值，第一通道将进气口与弹簧腔连通。

在优选方案二中，当负压腔内的压力达到设定值后，阀芯将克服压簧的弹力向弹簧腔滑动，第一通道将进气口与弹簧腔连通，则外部空气将进入压力腔，压力腔内的压力稍微增大，阀芯又将远离弹簧腔；从而负压腔内的压力达到设定值后，阀芯处于振动状态以将负压腔内的压力维持在设定值。

优选方案三：作为对优选方案二的进一步优化，所述阀座上设有介质腔，介质腔内填充有加热膨胀介质，阀芯的另一端伸入介质腔内；所述控制盘内嵌有永磁体，缸体的外周缠绕有电磁线圈，介质腔内设有与电磁线圈形成闭合电路的电热丝；所述阀芯内设有第二通道，加热膨胀介质膨胀后，第二通道将进气口与弹簧腔连通。

控制盘内嵌有永磁体，在控制盘相对于电磁线圈往复运动的同时，电磁线圈内将形成电流；在低速模式下，电磁线圈产生的电压小，电热丝无法正常工作，产生的热量小；在高速模式下，电磁线圈产生的电压可以使电热丝正常工作。因此，在高速状态下，随着电热丝的温度持续升高，并对加热膨胀介质加热，电热丝产生的热量使加热膨胀介质逐渐沸腾，则介质腔内在一段时间后将增大到较大压力，并推动阀芯向弹簧腔运动，最终，第二通道将进气口与弹簧腔连通；外部空气将进入负压腔内并负压腔内恢复为常压，则离心块将在离心力作用下嵌入限位槽内，从而当在高速模式下训练一段时间后，直线电机将切换低为速模式或停止运行。

优选方案四：作为对优选方案三的进一步优化，所述第二通道的直径大于5mm，所述第一通道的直径为1-2mm。第一通道将进气口与弹簧腔连通时，由于第一通道的直径较小，进气速度慢，可以避免外部空气迅速涌入负压腔内，从而可以避免负压腔内的压力在短时间内迅速改变，因此有利于负压腔内的压力维持在设定值。而第二通道的直径较大，有利于外部空气迅速进入负压腔内，负压腔内的压力迅速恢复常压，从而加快负压腔的响应速度。

优选方案五：作为对优选方案四的进一步优化，所述离心块呈圆柱状，所述限位槽的长度大于离心块的直径；所述凸棱呈与螺旋凹槽配合的螺旋状，且凸棱的长度大于限位槽的长度。限位槽的长度大于离心块的直径，从而有利于离心块进入限位槽内对活塞进行制动，以避免控制盘的转速过快，给离心块留出的反应时间太短，离心块迅速越过限位槽，导致离心块无法对活塞进行制动。而凸棱的长度大于限位槽的长度，可以避免限位槽将吸气腔和负压腔连通。

优选方案六：作为对优选方案五的进一步优化，所述加热膨胀介质采用四氯化碳。四氯化碳的沸点为76.8℃，在常温下为液态，达到沸腾状态也需要一段时间的热量积累，使得高速模式具有充分的训练时间。

附图说明

图1为本发明实施例的示意图；

图2为图1中A部分的放大图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：缸体10、活塞11、控制盘12、安装孔121、离心块122、拉簧123、电磁线圈13、螺旋凹槽14、限位槽141、排气单向阀15、进气单向阀16、负压腔17、吸气腔18、驱动杆19、直线电机20、阀门30、阀座31、阀芯32、第二通道33、第一通道34、进气口35、弹簧腔36、压簧37、介质腔38、电热丝39、腿部训练机构40、第一连杆41、第二连杆42、滑块43、座垫44。

如附图1所示，用于医疗训练的智能训练系统包括训练执行部、驱动部以及智能控制模块；训练执行部包括手臂训练机构、腿部训练机构40等，其结构采用常见的辅助训练器械的结构，训练时将手臂或腿部约束在相应的机构上，在训练执行部往复运动时，将使得手臂或腿部跟随其被动运动，从而可以达到康复训练的目的。

下面以腿部训练机构40为例，对其结构进行说明。腿部训练机构40包括固定在地面上的机架，机架的中部固定有座垫44，从而康复训练人员可以坐在座垫44上，以方便对腿部进行康复训练。腿部训练机构40包括一端相互铰接的第一连杆41和第二连杆42，第一连杆41的另一端铰接在座垫44的底部，第二连杆42的另一端铰接有滑块43，滑块43与机架的下部滑动连接。在第一连杆41和第二连杆42上均设置有约束带，通过约束带可将康复训练人员的大腿捆包在第一连杆41上、小腿捆包在第二连杆42上，从而实现腿部与第一连杆41和第二连杆42的约束。第一连杆41和第二连杆42通过铰接轴相互铰接，从而通过反复推动铰接轴，可以使腿部训练机构40反复带动腿部弯曲和伸直，从而达到对腿部肌肉的训练。

驱动部包括伸缩机构和驱动机构，驱动机构采用直线电机20作为往复运动的动力来源。伸缩机构包括缸体10以及可沿缸体10轴线伸缩的驱动杆19，缸体10的一端为开口的开口端，缸体10的另一端为封闭的封闭端，其中缸体10的开口端铰接在座垫44下方的机架上。缸体10内设有可沿缸体10轴向滑动的活塞11，驱动杆19的一端与活塞11固定，驱动杆19的另一端从缸体10的封闭端伸出并与铰接轴连接，从而活塞11在缸体10内往复滑动时，驱动杆19将带腿部训练机构40反复弯曲和伸直。直线电机20固定在缸体10的开口端，直线电机20的输出轴伸入缸体10内并与活塞11固定，从而使得直线电机20可以带动活塞11在缸体10内往复滑动。

缸体10内还设有将缸体10的封闭端与活塞11之间的空间分隔为吸气腔18和负压腔17的控制盘12，吸气腔18靠近缸体10的封闭端一侧，负压腔17靠近活塞11一侧；驱动杆19从控制盘12的中心穿过，在控制杆的两侧设有固定在限位棱，限位棱对控制盘12具有限位作用，以防止控制盘12相对于驱动杆19滑动，从而使得控制盘12只能相对于驱动杆19转动。气缸靠近封闭端的内壁上设有螺旋凹槽14，控制盘12的上设有嵌入螺旋凹槽14的凸棱，凸棱呈与螺旋凹槽14配合的螺旋状，以保证负压腔17的气密性。

当活塞11在缸体10内往复运动的同时，活塞11也将带动控制盘12往复运动，而螺旋凹槽14对凸棱具有导向作用，因此控制盘12同时还将相对于缸体10转动。控制盘12上设有进气单向阀16，缸体10的封闭端设有排气单向阀15，进气单向阀16的进气端连通负压腔17，进气单向阀16的排气端与吸气腔18连通，排气单向阀15的进气端与吸气腔18连通，排气单向阀15的排气端与外部连通。活塞11在缸体10内往复运动时，控制盘12将反复挤压吸气腔18，吸气腔18的空间减小时，吸气腔18内的空气将通过排气单向阀15排出；而吸气腔18的空间增大，吸气腔18会将负压腔17内的空气吸入吸气腔18，如此反复，负压腔17内将呈负压状态。

如附图2所示，控制盘12内设有沿径向设置的安装孔121，且安装孔121从凸棱穿出；安装孔121内设有拉簧123和可沿安装孔121滑动的离心块122，安装孔121设置为圆柱孔，而离心块122设置为圆柱状。拉簧123与离心块122远离凸棱的一侧连接，且安装孔121远离凸棱的一端与负压腔17连通。螺旋凹槽14的底部设有四个可与离心块122配合的限位槽141，在本实施例中凸棱的长度设置为6cm，限位槽141的长度设置为2cm，限位槽141的深度设置为1cm，安装孔121的直径设置为1cm，且安装孔121开口设置在凸棱的中部；上述尺寸只是优化设置，也可以在满足条件的情况下设置为其他值或呈比例设置为其他值。

当负压腔17内呈常压状态时，控制盘12的转速达到一定值后，离心块122在离心力的作用下将沿安装孔121向外运动，并嵌入限位槽141内，从而使得凸棱无法在沿螺旋凹槽14运动，此时离心块122对活塞11的运动具有制动作用；在制动情况下，直线电机20继续运行，将导致直线电机20呈过载状态。而在负压腔17内达到一定的负压值后，负压腔17对离心块122将具有一定的吸力，相当于此时拉簧123的劲度系数增大；因此，在控制盘12以上述负压腔17呈常压状态时同样的速度转动时，离心块122在离心力下滑动的行程缩小，从而离心块122将无法进入限位槽141内，活塞11可以在缸体10内连续运动。在驱动杆19内设有与外部连通的常压气道，而在凸棱上设有通过旋转接头与常压气道连通的常压气孔，常压气孔设有多个并分布在安装孔121的外周；从而当凸棱将限位槽141覆盖，安装孔121与限位槽141相对时，常压气孔使得限位槽141与外部连通，则限位槽141内形成常压。当负压腔17内呈负压状态时，离心块122的两侧形成压差，从而保证负压腔17对离心块122形成吸力。

在缸体10的外壁上安装有阀门30，阀门30包括固定在缸体10上的阀座31和设于阀座31内的阀芯32；阀座31的两端分别设有弹簧腔36和介质腔38，且弹簧腔36与负压腔17连通，弹簧腔36内设有与阀芯32的一端相抵的压簧37，阀芯32的另一端伸入介质腔38内并使介质腔38形成一个封闭空间。阀芯32内设有第一通道34和第二通道33，第一通道34的直径设置为1mm，第二通道33的直径设置为6mm；阀座31上设有与外部连通并可被阀芯32封堵的进气口35，通过滑动阀芯32，可使第一通道34将弹簧腔36和进气口35连通，或使第二通道33将弹簧腔36和进气口35连通。当负压腔17内的压力达到设定值后，阀芯32将克服压簧37的弹力向弹簧腔36滑动，第一通道34将进气口35和弹簧腔36连通，则外部空气将进入负压腔17，负压腔17内的压力稍微增大，阀芯32又将远离弹簧腔36，使得负压腔17内的压力达到设定值后，阀芯32处于振动状态以将负压腔17内的压力维持在设定值。

介质腔38内填充有四氯化碳，且介质腔38内设有电热丝39；控制盘12内嵌有永磁体，缸体10的外周缠绕有电磁线圈13，且电磁线圈13与电热丝39形成闭合电路。控制盘12相对于电磁线圈13往复运动，电磁线圈13内将形成电流；在控制盘12慢速运动的情况下，电磁线圈13产生的电压小，电热丝39无法正常工作，产生的热量小；在控制盘12快速运动的情况下，电磁线圈13产生的电压可以使电热丝39正常工作，并且电热丝39的温度加热至高于四氯化碳沸点的温度，随着热量逐渐积累使得四氯化碳逐渐沸腾，经过一段加热时间后介质腔38内压力增大，并推动阀芯32向弹簧腔36运动，第二通道33将进气口35和弹簧腔36连通；外部空气将进入负压腔17内并使负压腔17内恢复为常压，此时活塞11继续以较高的速度运动，离心块122将对活塞11进行制动，使直线电机20进入过载状态。

智能控制模块包括与直线电机20信号连接的控制器、与控制器信号连接的可视化显示屏；直线电机20的运行数据将实时反馈到控制器，控制器通过对直线电机20的运行状态的监测，判断执行方案；可视化显示屏用以选择运行模式。具体训练方法如下：

在可视化显示屏上选择智能训练系统当前的训练模式为智能训练模式，智能训练模式下包括低速模式和高速模式。其中低速模式状态下，直线电机20以低频率往复运动；而高速模式下，直线电机20以高频率往复运动；

在智能训练模式下继续选取驱动机构运行模式，驱动机构运行模式包括连续运行和阶段运行。连续运行是在直线电机20过载后，直线电机20切换为低速模式继续运行；阶段运行是在直线电机20过载后，直线电机20停止运行；直线电机20运行状态的切换由控制器根据选择的驱动机构的运行模式及直线电机20的运行状态进行切换；

在智能训练模式下依次进行低速模式训练和高速模式训练；

在低速模式下训练达到设定时间后，进入高速模式下进行训练；

在高速模式下训练达到设定时间后，直线电机20过载；控制器根据选择的驱动机构运行模式，控制直线电机20切换为低速模式或直接停止。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.用于医疗训练的智能训练系统，包括训练执行部，其特征在于：还包括驱动部以及智能控制模块；

所述驱动部包括伸缩机构和驱动机构，驱动机构为直线电机，伸缩机构包括铰接在机架上的缸体以及伸入缸体内的驱动杆，缸体的一端为开口的开口端，缸体的另一端为封闭的封闭端，缸体内设有可沿缸体轴向滑动的活塞，驱动杆的一端与活塞固定，驱动杆的另一端从缸体的封闭端伸出以驱动训练执行部运动；且直线电机的输出轴与活塞固定；

所述缸体内还设有将缸体的封闭端与活塞之间的空间分隔为吸气腔和负压腔的控制盘，吸气腔靠近缸体的封闭端一侧，负压腔靠近活塞一侧；气缸靠近封闭端的内壁上设有螺旋凹槽，控制盘的侧面设有嵌入螺旋凹槽的凸棱；控制盘仅能相对于驱动杆转动；

所述控制盘内设有沿径向设置的安装孔，且安装孔从凸棱穿出；安装孔内设有拉簧和可沿安装孔滑动的离心块，拉簧与离心块远离凸棱的一侧连接，安装孔远离凸棱的一端与负压腔连通；所述螺旋凹槽的底部设有多个可与离心块配合的限位槽，控制盘上设有进气单向阀，缸体的封闭端设有排气单向阀，进气单向阀的进气端连通负压腔，进气单向阀的排气端连通吸气腔，排气单向阀的进气端与吸气腔连通；

所述智能控制模块包括用以控制直线电机启停的控制器。

2.根据权利要求1所述的用于医疗训练的智能训练系统，其特征在于：所述缸体的侧壁上设有与可使负压腔与外部连通的阀门。

3.根据权利要求2所述的用于医疗训练的智能训练系统，其特征在于：所述阀门包括固定在缸体上的阀座和设于阀座内的阀芯；阀座上设有与外部连通并可被阀芯封堵的进气口，阀座内设有与负压腔连通的弹簧腔，弹簧腔内设有与阀芯的一端相抵的压簧；阀芯内设有第一通道，当负压腔内的压力达到设定值，第一通道将进气口与弹簧腔连通。

4.根据权利要求3所述的用于医疗训练的智能训练系统，其特征在于：所述阀座上设有介质腔，介质腔内填充有加热膨胀介质，阀芯的另一端伸入介质腔内；所述控制盘内嵌有永磁体，缸体的外周缠绕有电磁线圈，介质腔内设有与电磁线圈形成闭合电路的电热丝；所述阀芯内设有第二通道，加热膨胀介质膨胀后，第二通道将进气口与弹簧腔连通。

5.根据权利要求4所述的用于医疗训练的智能训练系统，其特征在于：所述第二通道的直径大于5mm，所述第一通道的直径为1-2mm。

6.根据权利要求5所述的用于医疗训练的智能训练系统，其特征在于：所述离心块呈圆柱状，所述限位槽的长度大于离心块的直径；所述凸棱呈与螺旋凹槽配合的螺旋状，且凸棱的长度大于限位槽的长度。

7.根据权利要求6所述的用于医疗训练的智能训练系统，其特征在于：所述加热膨胀介质采用四氯化碳。

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