CN111991756A - 一种反重力跑步机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反重力跑步机，包括机架、跑步组件、反重力气囊组件、步态分析组件、多通道电刺激组件和控制组件；控制组件和跑步组件安装在机架上；反重力气囊组件包括气体压力传感器、空气压缩机、空气过滤器和减压阀；多通道电刺激组件安装在跑步组件上，包括左侧电刺激发生器、右侧电刺激发生器、足底触发开关和电极随动机构；左侧电刺激发生器包括电流控制器和至少一个电极圈；跑步组件包括称重传感器，跑步带和角度可调支架。上述反重力跑步机准确、稳定、较低成本、高可靠性的在反重力跑步机上实现实时步态检测功能，同时集成多通道电刺激组件，即可以更好的帮助患者进行运动恢复，也可以为研究脑卒患者恢复过程提供平台。

Description

一种反重力跑步机

技术领域

本实用康复设备技术领域，具体为一种反重力跑步机。

背景技术

反重力跑步机源自美国航空航天局的最新航空技术，使用气压平缓地举起健身者，如中国专利号CN200880120528公开的《用于空气压差设备的系统、方法和装置》，上述系统基于一个充气垫可使健身者减轻体重，从而避免体能锻炼时出现的受伤。同时反重力跑步机主要应用场景还包括：骨科和神经科患者术后的早期康复训练；肥胖、糖尿病、老年下肢疾病术后康复训练；运动员的关节无损心肺肌肉功能训练；有氧训练调理、衰老相关的疾病的恢复训练。

随着脑卒中救治水平的提高，大多数患者经积极治疗有可能独立或辅助行走，但其步态多为高耗能，异常模式，不能满足日常生活的需要。因此，尽可能恢复正常的步行始终是脑卒中患者下肢康复的最主要目标。大量的临床研究证实功能性电刺激能显著提高脑卒中患者下肢运动能力及步行能力，但大多数研究仅将作用于踝关节以减轻足下垂而忽略了膝关节在步行中的重要作用。步行中针对患者明显的异常步态，采用模拟正常步态的多通道FES 来改善和纠正患者步行能力的研究少有报道。同时，由于传统康复模式的限制，也不能为上述研究提供较合适的平台。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供的一种反重力跑步机，准确、稳定、较低成本、高可靠性的在反重力跑步机上实现实时步态检测功能，同时集成多通道电刺激组件，即可以更好的帮助患者进行运动恢复，也可以为研究脑卒患者恢复过程提供平台。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括机架、跑步组件、反重力气囊组件、步态分析组件、多通道电刺激组件和控制组件；所述控制组件和跑步组件安装在机架上；所述反重力气囊组件包括气体压力传感器、空气压缩机、空气过滤器和减压阀，所述空气过滤器连接在空气压缩机和减压阀之间；所述减压阀通过进气管路与气囊连接、气源和气囊；所述气囊罩设在跑步组件上，气压控制部件和气源安装在机架上；

所述多通道电刺激组件安装在跑步组件上，包括左侧电刺激发生器、右侧电刺激发生器、足底触发开关和电极随动机构；所述左侧电刺激发生器包括电流控制器和至少一个电极圈；所述右侧电刺激发生器包括电流控制器和至少一个电极圈；所述电极圈包括弹性外层和电极内层，所述电极内层分为至少两个独立的电极块，电极块之间设有绝缘层；所述电极块内表面设有至少一个电极片；所述足底触发开关使用时安装在人的鞋垫下侧，包括电池板、信号发送器和薄膜触发器，所述薄膜触发器设置在电池板和信号发送器之间。

所述跑步组件包括称重传感器，跑步带和角度可调支架，所述跑步带安装在角度可调支架上，所述称重传感器安装在角度可调支架与机架之间。

进一步的，所述机架包括后框架、前框架和中间立架，所述后框架和前框架分别设置在中间立架的两端；所述后框架上设有与气囊连接的密封槽。

进一步的，所述气源安装在前框架上，气囊安装在后框架上；气源和气囊之间设置进气管路。

进一步的，所述电极随动机构包括水平位置调控部件、竖直高度调控部件和电极圈连接块，所述电极圈连接块安装在竖直高度调控部件上；所述竖直高度调控部件安装在水平位置调控部件上；

所述水平位置调控部件包括电机、水平丝杠副和安装板，所述电极圈连接块固定在水平丝杠副的螺母上；所述水平丝杠副固定在安装板上；所述电机的输出轴与水平丝杠副的丝杠连接；所述高度位置调控部件包括电机、竖直丝杠副和竖直架，所述安装板固定在竖直丝杠副的螺母上，所述竖直丝杠副安装在竖直架上，所述电机的输出轴与竖直丝杠副的丝杠连接；所述竖直架为伸缩缸式；

所述电极圈连接块上设有入线接口和出线接口，入线接口与电流控制器的线缆连接，出线接口与电极圈的线缆连接。

进一步的，所述气囊为软体壳结构，该软体壳结构的底部密封固定在机架上，软体壳结构的顶部设有与人体腰部形状匹配的椭圆开口；所述气囊侧面设有密封拉链。

进一步的，所述步态分析组件包括横向脚部位置传感器和纵向脚部位置传感器，所述横向脚部位置传感器和纵向脚部位置传感器分别安装在角度可调支架的侧面。

进一步的，所述电极片圆弧状、直条状、矩形片状或圆盘状。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

准确、稳定、较低成本、高可靠性的在反重力跑步机上实现实时步态检测功能。高可靠性的在反重力跑步机上实现实时步态检测功能，同时集成多通道电刺激组件，即可以更好的帮助患者进行运动恢复，也可以为研究脑卒患者恢复过程提供平台。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

附图1为本发明的结构示意图一；

附图2为本发明结构示意图二；

附图3为本发明步态分析组件和多通道电刺激组件安装结构示意图；

附图4为本发明本发明步态分析组件示意图；

附图5为本发明本发明电极圈结构示意图；

附图6为本发明本发明初始状态逻辑图；

附图7为本发明本发明使用状态逻辑图；

附图8为本发明本发明压力维持状态逻辑图；

附图9为本发明本发明足底触发开关结构示意图。

图中：1、机架；2、气源；3、控制器；4、气体压力传感器；5、气囊；5-1、椭圆开口；5-2、密封拉链；6、称重传感器；7、弹性外层；7-1、排线连接线；8、电极内层；8-1、绝缘层；8-2、电极片；9、横向脚部位置传感器；10、纵向脚部位置传感器；11、横向定位光线；12、纵向定位光线；13、人体落脚位置；14、水平位置调控部件；15、电极圈连接块； 16、高度位置调控部件；17、左侧电刺激发生器；18、右侧电刺激发生器；19、信号发送器； 20、电池板；21、薄膜触发器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本申请描述了用于将用户密封在可加压腔室中的各种方法和有关结构。本文还描述了用于改变该腔室的形状和/或高度的各种方法和有关结构。用于治疗各种症状——如肥胖症、心脏病、多发性硬化或唐氏综合征等。还可以用于骨科康复、神经系统的训练、老年人培训和运动康复治疗等场景。

近年来，随着脑卒中救治水平的提高，大多数患者经积极治疗有可能独立或辅助行走，但其步态多为高耗能，异常模式，不能满足日常生活的需要。因此，尽可能恢复正常的步行始终是脑卒中患者下肢康复的最主要目标。大量的临床研究证实功能性电刺激(FES)能显著提高脑卒中患者下肢运动能力及步行能力，但大多数研究仅将FES作用于踝关节以减轻足下垂而忽略了膝关节在步行中的重要作用。步行中针对患者明显的异常步态，采用模拟正常步态的多通道FES来改善和纠正患者步行能力的研究在国内甚少报道。

实施例一

如图1至图5所示的一种反重力跑步机，包括机架1、跑步组件、反重力气囊组件、步态分析组件、多通道电刺激组件和控制组件；控制组件和跑步组件安装在机架1上；使用时：在反重力气囊组件中形成压差，其中气囊5容纳用户身体的至少一部分并通过调节气囊5的压力来调节用户身体上的力，以及响应于为用户确定的与症状有关的度量(metric)来调节腔室中的压力。这些方法进一步包括基于与症状有关的度量与压力调节之间的关系来为用户生成空气压差系统的初始设置。这些方法包括基于用户的初始设置针对症状生成个性化的治疗方案，可用于治疗多种健康症状，包括但不限于肥胖症、心脏症状和肌骨症状。

气源2包括气体压力传感器4、空气压缩机、空气过滤器和减压阀，空气过滤器连接在空气压缩机和减压阀之间；减压阀通过进气管路与气囊5连接；气囊5罩设在跑步组件上，气压控制部件和气源2安装在机架1上。

多通道电刺激组件安装在跑步组件上，包括左侧电刺激发生器17、右侧电刺激发生器18、足底触发开关和电极随动机构；左侧电刺激发生器17、右侧电刺激发生器18均采用以色列AMPI公司Master-8/CP/VP型电刺激器，具有：八道电刺激器，可独立输出，也可组合输出；各通道可在内部连接，进行组合，无需外部连线；可用一些通道给标本刺激，另一些通道触发示波器、计算机；每个串(Train)可输出1-59,990个脉冲刺激；脉冲宽度： 40μs-3,999s；延迟：100μs-3,999s；电压输出范围：±10V(20mA)；可以外接电脑，用软件控制；Master-8-CP型为电脑程控，可编程连续输出步阶刺激脉冲；Master-8-VP型为电压、电脑程控，可编程连续输出步阶刺激脉冲。

左侧电刺激发生器17还包括电流控制器和至少一个电极圈；右侧电刺激发生器18包括电流控制器和至少一个电极圈；电极圈包括弹性外层7和电极内层8，电极内层8分为至少两个独立的电极块，电极块之间设有绝缘层8-1；电极块内表面设有至少一个电极片8-2；弹性外层7端部连接有排线连接线7-1，排线连接线7-1最终与电极片8-2连接。左侧电刺激发生器17和右侧电刺激发生器18发出的刺激电流通过排线连接线7-1传输给电极片8-2，电极片8-2紧贴在人的皮肤上，进而对人体产生刺激作用。

足底触发开关使用时安装在人的鞋垫下侧，包括电池板20、信号发送器19和薄膜触发器21，薄膜触发器21设置在电池板20和信号发送器19之间。薄膜触发器21采用 LDT0-028K型28μm的压电薄膜，其上丝印银浆电极，薄膜被层压在0.125mm聚酯基片上，电极由两个压接端子引出。当压电薄膜在垂直方向受到外力作用偏离中轴线时，会在薄膜上产生很高的应变因而会有高电压输出。当直接作用于产品而使其变形时，LDT0就可以作为一个柔性开关，所产生的输出足以直接触发MOSFET和CMOS电路；如果元件由引出端支撑并自由振动，该元件就像加速度计或者振动传感器。增加质量块或者改变元件的自由长度都会影响传感器的谐振频率和灵敏度，将质量块偏离轴线可以得到多轴响应。LDTM- 028K采用悬臂梁结构，一端由端子引出信号。电池板20可以采用纽扣电池。

信号发送器19采用MS90C385B TSSOP56封装LVDS信号发送器。

跑步组件包括称重传感器6，跑步带和角度可调支架，跑步带安装在角度可调支架上，称重传感器6安装在角度可调支架与机架1之间。

机架1包括后框架、前框架和中间立架，后框架和前框架分别设置在中间立架的两端；后框架上设有与气囊5连接的密封槽。

气源2安装在前框架上，气囊5安装在后框架上；气源2和气囊5之间设置进气管路。

电极随动机构包括水平位置调控部件14、竖直高度调控部件16和电极圈连接块15，电极圈连接块15安装在竖直高度调控部件16上；竖直高度调控部件16安装在水平位置调控部件14上。

水平位置调控部件14包括电机、水平丝杠副和安装板，电极圈连接块15固定在水平丝杠副的螺母上；水平丝杠副固定在安装板上；电机的输出轴与水平丝杠副的丝杠连接；高度位置调控部件16包括电机、竖直丝杠副和竖直架，安装板固定在竖直丝杠副的螺母上，竖直丝杠副安装在竖直架上，电机的输出轴与竖直丝杠副的丝杠连接；竖直架为伸缩缸式；电极圈连接块15上设有入线接口和出线接口，入线接口与电流控制器的线缆连接，出线接口与电极圈的线缆连接。

气囊5为软体壳结构，该软体壳结构的底部密封固定在机架1上，软体壳结构的顶部设有与人体腰部形状匹配的椭圆开口5-1；气囊5侧面设有密封拉链5-2。

步态分析组件包括横向脚部位置传感器9和纵向脚部位置传感器10，横向脚部位置传感器9和纵向脚部位置传感器10分别安装在角度可调支架的侧面。

电极片8-2圆弧状、直条状、矩形片状或圆盘状。

弹性外层7为弹性橡胶层或织物层。

实施例二

如图1至图5所示的一种反重力跑步机，包括机架1、跑步组件、反重力气囊组件、步态分析组件、气压弹道冲击波组件、疼痛检测组件和控制组件；控制组件用来接收跑步组件、反重力气囊组件、步态分析组件和疼痛检测组件的检测数据，经计算后向气压弹道冲击波组件、跑步组件和反重力气囊组件输出控制信号，以控制气压弹的输出频率和压力、跑步组件的运转速率和反重力气囊组件减重比率。

控制组件和跑步组件安装在机架1上。反重力气囊组件包括气体压力传感器4、空气压缩机、空气过滤器和减压阀，空气过滤器连接在空气压缩机和减压阀之间；减压阀通过进气管路与气囊5连接；气囊5罩设在跑步组件上，气压控制部件和气源2安装在机架1上。

步态分析组件安装在跑步组件上，气压弹道冲击波组件安装在气囊内；步态分析组件、气压弹道冲击波组件和疼痛检测组件通过数据线与控制组件连接；控制组件根据步态分析组件采集的使用者的步态数据和疼痛检测组件采集的使用者的疼痛数据，经计算后输出气压弹道冲击波组件控制信号，以控制气压弹道冲击波组件的气压冲击波发射的时机和频次；跑步组件包括称重传感器6，跑步带和角度可调支架，跑步带安装在角度可调支架上，称重传感器安装6在角度可调支架与机架1之间。

机架1包括后框架、前框架和中间立架，后框架和前框架分别设置在中间立架的两端；后框架上设有与气囊5连接的密封槽。

气源2安装在前框架上，气囊5安装在后框架上；气源2和气囊5之间设置进气管路。

步态分析组件包括横向脚部位置传感器9和纵向脚部位置传感器10，横向脚部位置传感器9和纵向脚部位置传感器10分别安装在角度可调支架的侧面。

气压弹道冲击波组件包括冲击波发生器17、电极圈连接块15和电极随动机构，气压弹道发送头15安装在电极随动机构上；冲击波发生器17安装在机架1内，冲击波发生器17和电极圈连接块15通过管路连接。

电极随动机构包括水平位置调控部14件、竖直高度调控部件16和发送头固定台，电极圈连接块15固定台安装在竖直高度调控部件16上；竖直高度调控部件16安装在水平位置调控部件14上。

水平位置调控部件14包括电机、水平丝杠副和安装板，电极圈连接块15固定在水平丝杠副的螺母上；水平丝杠副固定在安装板上；电机的输出轴与水平丝杠副的丝杠连接。

高度位置调控部件16包括电机、竖直丝杠副和竖直架，安装板固定在竖直丝杠副的螺母上，竖直丝杠副安装在竖直架上，电机的输出轴与竖直丝杠副的丝杠连接。

疼痛检测组件包括头箍7安装在皱眉肌肌电传感器8，皱眉肌肌电传感器8与控制组件连接。使用时患者将头箍7戴在头上，保证皱眉肌肌电传感器8紧贴在人的额头上即可。

气囊5为软体壳结构，该软体壳结构的底部密封固定在机架1上，软体壳结构的顶部设有与人体腰部形状匹配的椭圆开口5-1；气囊5侧面设有密封拉链5-2。

包括称重传感器6、气压控制部件、气源2和气囊5；称重传感器6安装在机架1 底部，称重传感器6设置在跑步带支架和机架1之间；跑步带支架可以调节与水平面的角度。气源2安装在机架1前部，气囊5安装在机架1中部；气源2和气囊5之间设置进气管路。

气体压力传感器4和气源2连接；气体压力传感器4安装在气囊5的进气管路上。称重传感器6为不锈钢二维力压力传感器。

气源2包括空气压缩机、空气过滤器和减压阀，空气过滤器连接在空气压缩机和减压阀之间，以保证进入气囊5的气体的清洁度；减压阀通过进气管路与气囊连接，以保证进入气囊的气体的压力稳定；该减压阀为出口压力可调式减压阀，以适应不同的减重需求。

气囊5为软体壳结构，该软体壳结构的底部密封固定在机架1上，软体壳结构的顶部设有与人体腰部形状匹配的椭圆开口5-1。

气囊5侧面设有密封拉链5-2，以方便人体进入气囊5。

如图6所示，初始化状态下，称重传感器6先获取减重前的初始重力，然后气源2 不断加压，在加压过程中控制器3分别记录瞬时压力和称重传感器6瞬时读数，并不断调高减压阀的出口压力，直到减重重力为一定值时停止，随后根据压力和称称重传感器6读数拟合曲线，初始化阶段完毕。

如图7所示，在使用阶段，控制器3读取用户输入的减重百分比，根据初始化阶段拟合曲线找到对应的压力，气源2加压到目标压力值。

如图8所示，气囊5在使用过程中由于气密性和人体运动的原因会产生压力不稳定的现象，通过气体压力传感器4反馈给控制器实时压力数值，再通过PID算法调节气源输入的风量使得压力稳定。

使用过程中由于不可避免的漏气现象。气源2会不断的输入，所以气囊5内是一个不断循环的空气系统，不会闷热，用户体验良好。

具体的，初始化阶段(图6)：人站在跑步机上此时称重传感器6记录人的重力，称重传感器6位于跑步机与地面固定点之间，在标定过程中记录跑步机的初始重力，人的重力等于多个称重传感器读数和减去初始标定重量。随后气源2开始增大气压，在气压增大过程中，随着气压的不断升高，气体压力传感器4读数越来越大，人开始感觉到有减重感，此时称重传感器的读数逐渐变小，直到减去80％重力，在此过程中，实时压力对应着实时重力，将压力和减重数据拟合称曲线，就知道压力与减重量的函数关系。

使用阶段(图7)：用户通过软件输入减重百分比，计算机根据输入的减重百分比和初始化阶段拟合的曲线求得对应的压力值，此时气源2不断升高压力知道气体压力传感器4读数为拟合曲线目标值。

维持恒压阶段(图8)：在用户只用阶段中，由于气囊5气密性达不到绝对密封，且人在气囊5中可以进行训练，身体和气囊5会存在不可避免的较小缝隙，所以如果气源2输入的能量是恒定的，气囊5中的气压值会不断发生较大的变化。气体压力传感器4读数实时反馈到控制器，控制器3对数值进行分析，如果发现气压波动超过预设范围时，及时调整气源2输入量以稳定气囊5内的压力值。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种反重力跑步机，其特征在于：包括机架、跑步组件、反重力气囊组件、步态分析组件、多通道电刺激组件和控制组件；所述控制组件和跑步组件安装在机架上；

所述反重力气囊组件包括气体压力传感器、空气压缩机、空气过滤器和减压阀，所述空气过滤器连接在空气压缩机和减压阀之间；所述减压阀通过进气管路与气囊连接、气源和气囊；所述气囊罩设在跑步组件上，气压控制部件和气源安装在机架上；

所述多通道电刺激组件安装在跑步组件上，包括左侧电刺激发生器、右侧电刺激发生器、足底触发开关和电极随动机构；所述左侧电刺激发生器包括电流控制器和至少一个电极圈；所述右侧电刺激发生器包括电流控制器和至少一个电极圈；所述电极圈包括弹性外层和电极内层，所述电极内层分为至少两个独立的电极块，电极块之间设有绝缘层；所述电极块内表面设有至少一个电极片；所述足底触发开关使用时安装在人的鞋垫下侧，包括电池板、信号发送器和薄膜触发器，所述薄膜触发器设置在电池板和信号发送器之间；

所述跑步组件包括称重传感器，跑步带和角度可调支架，所述跑步带安装在角度可调支架上，所述称重传感器安装在角度可调支架与机架之间。

2.根据权利要求1所述的反重力跑步机，其特征在于：所述机架包括后框架、前框架和中间立架，所述后框架和前框架分别设置在中间立架的两端；所述后框架上设有与气囊连接的密封槽。

3.根据权利要求2所述的反重力跑步机，其特征在于：所述气源安装在前框架上，气囊安装在后框架上；气源和气囊之间设置进气管路。

4.根据权利要求1所述的反重力跑步机，其特征在于：所述电极随动机构包括水平位置调控部件、竖直高度调控部件和电极圈连接块，所述电极圈连接块安装在竖直高度调控部件上；所述竖直高度调控部件安装在水平位置调控部件上；

所述水平位置调控部件包括电机、水平丝杠副和安装板，所述电极圈连接块固定在水平丝杠副的螺母上；所述水平丝杠副固定在安装板上；所述电机的输出轴与水平丝杠副的丝杠连接；

所述高度位置调控部件包括电机、竖直丝杠副和竖直架，所述安装板固定在竖直丝杠副的螺母上，所述竖直丝杠副安装在竖直架上，所述电机的输出轴与竖直丝杠副的丝杠连接；所述竖直架为伸缩缸式；

所述电极圈连接块上设有入线接口和出线接口，入线接口与电流控制器的线缆连接，出线接口与电极圈的线缆连接。

5.根据权利要求1所述的反重力跑步机，其特征在于：所述气囊为软体壳结构，该软体壳结构的底部密封固定在机架上，软体壳结构的顶部设有与人体腰部形状匹配的椭圆开口；所述气囊侧面设有密封拉链。

6.根据权利要求1所述的反重力跑步机，其特征在于：所述步态分析组件包括横向脚部位置传感器和纵向脚部位置传感器，所述横向脚部位置传感器和纵向脚部位置传感器分别安装在角度可调支架的侧面。

7.根据权利要求1所述的反重力跑步机，其特征在于：所述电极片圆弧状、直条状、矩形片状或圆盘状。

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