CN112657127B - 一种康复训练用智能跑步机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种康复训练用智能跑步机，属于医疗康复设备领域，包括跑步机本体、悬吊装置、计算机、控制面板、摄像头、投影仪、计算机和机电控制、动作引导、数据采集等硬件模块。本发明基于行走台面可俯仰‑侧倾的跑步机，结合减重悬吊、虚拟现实、步态分析功能，实现患者在不同康复阶段半自主进行下肢相关康复训练与评估。在控制面板设置的康复训练模式下，悬吊装置自动调整减重量，跑台进入指定运转模式。患者经动作引导，完成相应的康复训练任务。在训练过程中，患者的动作信息通过相关传感器采集，经数据采集模块，由计算机分析得出患者的步态参数。再结合设置的康复训练模式、康复效果评估模型，得出对康复训练效果的量化评估。

Description

一种康复训练用智能跑步机

技术领域

本发明属于医疗康复设备领域，涉及一种康复训练用智能跑步机，本发明还涉及一种人体减重悬吊装置。

背景技术

对于下肢功能障碍患者，大量临床研究证实，减重步行训练是进行康复治疗的重要手段之一。在进行减重步行训练时，患者需要根据自身康复情况卸载部分自重减少而对下肢产生的多余载荷。对于绳索式悬吊减重的解决方案，主要包括静平衡被动减重、配重块被动减重、弹簧被动减重、恒拉力被动减重、电控主动减重。其中，静平衡被动减重没有考虑步行训练中人体重心的竖直运动，不利于患者正常步态的恢复。配重块被动减重由于添加了配重块，改变了系统的惯性，不符合患者正常步态情景。弹簧被动减重可能导致在人体重心竖直运动过程中，减重力发生较大变化，而且不易调节给定减重力。恒拉力被动减重虽然可以通过恒拉力机构在重心竖直运动范围内提供给定的恒减重力，但是无法在减重过程中对人体运动产生的动载荷进行补偿。电控主动减重结合恰当的执行机构虽然可以解决恒力减重与动载荷补偿问题，但是没有解决患者在康复训练中，人体相对于跑步机的前后移动导致绳索方向与竖直方向倾斜导致的绳索拉力与等效竖直减重力不等的问题。

在“项升.悬吊式宇航员低重力模拟系统动力学建模及控制分析[D].哈尔滨工业大学,2015.”中提出了一种悬吊式宇航员低重力模拟系统，其中采用二维随动系统，使悬吊绳跟随人员移动，并沿竖直方向提供减重力，解决了上述问题。但是设备结构复杂，造价昂贵且需要单独人体位置测量系统，不利于在商业跑步机场景中应用。

现有智能跑步机除具备一般跑步机的功能外，还具有心率检测、血氧检测、足底压力检测、图像检测其中几项功能，各功能间相对独立，无法针对下肢功能障碍康复进行智能化的应用。

在申请号为201110315937.4的发明专利中公开了一种智能化跑步机，可以实时检测用户的心率与足底压力分布，并在自适应和心率两种模式下工作，使跑步机坡度、速度按照用户实时训练情况调节。但是上述发明只是针对健身领域，无法整合各类检测信息应用于康复，不能完全符合下肢功能康复的应用场景。在申请号201811637491.5的发明专利中公开的一种基于虚拟场景共享的跑步机及其健身方法，在申请号201711384448.8的发明专利中公开的一种基于3D深度摄像头和柔性力敏传感器的跑步机自适应系统，虽然应用各类检测信息对跑步机进行了智能化的控制，但是也没有整合应用于下肢功能康复的应用场景。与实际需求的下肢功能康复的应用场景相比，上述两发明没有具体结合减重悬吊装置，无法在不同减重量、不同跑步机俯仰-侧倾角度和其动态变化条件下，采用引导-视觉-压力传感的多模态方式获取患者动作情况。

发明内容

本发明提供的康复训练用智能跑步机，是一种针对下肢功能障碍患者引导-训练-评估的集成化康复设备。通过功能集成化的设计提供了这类康复训练所需的专门化装备。

本发明采用的技术方案为：一种康复训练用智能跑步机，主要由连接坡道1、跑步机外框2、跑步机内框3、扶手吊架4、悬吊装置5、计算机6、控制面板7、摄像头8、投影仪9和附属于计算机6的机电控制模块、动作引导模块、数据采集模块等硬件模块组成；

跑步机外框2作为跑步机主体与其他部分连接，其中连接坡道1与跑步机外框2后方对接，实现患者在轮椅上通过连接坡道1上下跑步机。跑步机内框3与跑步机外框2通过俯仰-侧倾机构连接，使跑步机内框3相对于跑步机外框2实现俯仰-侧倾运动，具体来说，俯仰-侧倾机构可以选择满足机构运动要求的空间机构，如在两转轴处有电机转动驱动的胡克铰链、Stewart机构。扶手吊架4固连于跑步机外框2两侧边框，供患者手扶并支承悬吊装置5；跑步机外框2前方与计算机6连接，计算机6显示屏朝向跑步机；跑步机外框2侧面支架安装的摄像头8与计算机6显示屏面下方安装的摄像头8用于对患者行走过程进行动作捕捉；跑步机外框2侧面支架安装的投影仪9在跑步机内框3的跑带16上产生投影，与计算机6显示屏上的指示用于对患者步行引导；悬吊装置5提供跟随患者相对于跑步机外框2前进-后退，俯仰-侧倾运动的竖直向上的补偿拉力，并通过悬吊装置5的拉力传感器31测得补偿拉力，使患者可以在设定的减重条件下训练；控制面板7连接在扶手吊架4上，用于设定康复训练模式，控制跑步机各模块的运行参数，与计算机6显示屏共同用于人机交互；跑步机内框3是实现基本行走功能的跑步机本体，跑步机内框3的跑板15上表面粘贴有柔性压力传感器层及保护层，下表面通过4个三维压力传感器11固连在跑步机内框3的横梁14上，通过柔性压力传感器与三维压力传感器信号可以获取患者的足底压力参数。

跑步机内框3主要由三维压力传感器11、内框框体12、辊子13、横梁14、跑板15、跑带16组成；内框框体12与横梁14组成跑步机内框3的刚性框架，按照跑步机具体大小，承载跑带16的跑板15可以有1个或2个；与传统跑步机相比，跑步机内框3的结构有如下不同：横梁14与跑板15间通过4个三维压力传感器11固连，跑板15上表面粘贴有柔性压力传感器层及保护层，保护层防止在跑步机使用过程中，跑带16对柔性压力传感器层直接磨损，增加使用寿命；其余基本原理与传统跑步机保持一致，通过计算机6中的机电控制模块控制跑步机本体中伺服电机转动，经传动系统转化为跑带16按2个辊子13约束的转动，实现基本行走功能；在实际使用过程中，患者行走对跑带16与跑板15产生反力，通过柔性压力传感器可以获取患者足印压力分布情况，通过横梁14与跑板15间通过4个三维压力传感器11信号可以算出患者对跑带16与跑板15产生的反力的合力大小与方向；在实际使用前，患者使用悬吊装置5辅助站立，通过调整悬吊装置5的补偿拉力，与三维压力传感器11测得压力值可用于柔性压力传感器标定；上述数据通过计算机6中的数据采集模块传输至计算机进行解算与显示；

悬吊装置5主要由框架、天车滑块21、天车导轨22、限位装置23、弹性装置24、绞车绳25、电动绞车26、天车滑轮27、悬吊绳28、悬吊滑轮29、悬吊滑轮架30、拉力传感器31、固定支座32、悬吊横梁、减重吊带等功能模块组成；天车导轨22与固定支座32固连在框架上，框架是悬吊装置5的基座；2个天车滑轮27的底座固连在天车滑块21上；悬吊绳28为刚性绳，一端与固定支座32连接，经天车滑轮27其一、悬吊滑轮29、天车滑轮27其二引导，另一端连接弹性装置24一端；在固定支座32与天车滑轮27其一间的悬吊绳28中间打断，两端分别与拉力传感器31连接，拉力传感器31测量悬吊绳28的绳间拉力，作为悬吊装置5的补偿拉力；在天车滑轮27其二与弹性装置24间的悬吊绳28同心固连限位装置23的一部分，限位装置23的另一部分固连在框架上，当由于悬吊绳28与框架发生相对运动而使限位装置23两部分机械接触，限位装置23起到限位作用，阻止这种相对运动继续进行；限位装置23的两部分间安装距离传感器，通过测量限位装置23的两部分间距离，可以得出悬吊滑轮架30及其连接的悬吊横梁的位置；弹性装置24另一端经绞车绳25连接至电动绞车26转轴上；悬吊滑轮29与悬吊滑轮架30通过心轴连接，使其可相对转动，悬吊滑轮架30经悬吊横梁、减重吊带与患者人体固定，上述拉力传感器31也可以布置在悬吊滑轮架30与悬吊横梁间测量悬吊装置5的补偿拉力；电动绞车26由伺服电机、棘轮装置、绞盘组成，绞车绳25缠绕在绞盘上，绞盘与棘轮装置转轴、伺服电机转轴同轴刚性连接；伺服电机转动角度、转动速度、提供力矩由伺服电机的控制器、驱动器经机电控制模块输出；棘轮装置用于在伺服电机转角由机电控制模块给定后，阻止绞盘的放线旋转，使伺服电机不必在悬吊装置使用过程中始终提供驱动力矩；

悬吊装置5在实际使用时，患者首先穿着减重吊带，由机电控制模块控制电动绞车26对绞车绳25放线，在悬吊滑轮29、悬吊滑轮架30、悬吊横梁的重力作用下，悬吊横梁下降至减重吊带连接高度，对悬吊滑轮29、悬吊滑轮架30、悬吊横梁前后拖动可以调整上述功能模块前后位置，便于将悬吊横梁与减重吊带连接；连接完成后，由机电控制模块控制电动绞车26对绞车绳25收线，使减重吊带承载人体提升；提升过程中产生拉力使弹性装置24拉伸，拉力传感器31测量悬吊绳28拉力，当人体处于站立姿态后，机电控制模块控制电动绞车26继续收线，悬吊滑轮29高度基本不变，弹性装置24继续拉伸，至拉力传感器31测量悬吊绳28拉力到达计算机6给定值停止；训练过程中如因患者跌倒而快速拉动悬吊绳28，经机电控制模块对限位装置23两部分间距测量或基于拉力传感器31拉力判断，机电控制模块控制电动绞车26对绞车绳25收线或限位装置23两部分发生机械接触，可以防止患者跌倒。

上述悬吊装置5的天车滑块21与天车导轨22组成滚动摩擦导轨，其相对运动阻力小；由2个天车滑轮27与1个悬吊滑轮29组成的滑轮组，使悬吊绳28拉力值一定且悬吊滑轮架30竖直位置一定时，患者人体、减重吊带、悬吊横梁、悬吊滑轮架30带动悬吊滑轮29沿天车导轨22方向平移阻力小；在患者实际使用过程中，在基本不改变补偿拉力与减重吊带竖直位置的情况下，使天车滑块21随患者相对于跑步机外框2可以前后移动；弹性装置24在患者处于训练位置行走，重心经带动减重吊带、悬吊横梁、悬吊滑轮架30使悬吊滑轮29上下起伏时，起到基本缓冲作用；选择较低刚度和较大极限拉力的弹性装置24，使在上述情况下，电动绞车26即使不工作也能产生近似恒定的补偿拉力；在患者训练时，也可通过计算机6的机电控制模块，结合拉力传感器31拉力信号、限位装置23两部分间距信号、数据采集模块获得的其他信号，通过机电控制模块运行控制算法使补偿拉力保持恒定，满足康复训练需求。

机电控制模块控制俯仰-侧倾机构、跑步机本体伺服电机、悬吊装置5，并可获取悬吊装置5对人体的补偿拉力信号；动作引导模块控制投影仪9、计算机6显示屏，用于引导患者正确进行康复训练并提供与患者人机交互的训练任务，任务完成情况由数据采集模块采集；数据采集模块采集摄像头8、柔性压力传感器、三维压力传感器11和可以附加的心率检测模块、运动手环等设备的患者运动相关与任务完成原始数据；计算机分析处理数据采集模块采集的原始数据，得出患者步态参数、任务完成情况和其他参考数据，并基于康复效果评估模型，得出对康复训练效果的量化评估，并可将结果反馈给计算机6显示屏或控制面板7供患者、医师参考；用户通过控制面板7输入患者基本信息，设置康复训练模式，使计算机6根据康复训练程序匹配合适的康复训练模式，按照上述机电控制模块、动作引导模块功能，运行本装置。

2个摄像头8分别布置于跑步机外框2侧方与前方，由数据采集模块采集患者在跑步机内框3的动作视频；计算机基于立体视觉、特征提取、特征匹配、图像重建、视觉跟踪算法，对患者动作进行图像处理与分析，结合动作引导模块功能，得出患者步态参数、任务完成情况、和其他参考数据；计算机6可将患者动作视频进行实时三维重建并提取上述简单参数，经计算机6显示屏、控制面板7反馈给用户，作为康复训练过程中的参考。

本发明的有益效果：

1.本发明提出的智能跑步机系统，整合了减重拉力检测、足底压力检测、图像检测和可接入的其他检测手段，综合应用于对下肢功能障碍的使用场景。结合显示屏、投影仪对患者的动作引导，可以帮助患者正确完成康复训练动作，对患者康复效果实时测评，按需调整康复训练模式。通过显示屏、投影仪、控制面板、悬吊装置、俯仰-侧倾机构、跑步机本体在患者康复训练中提供的人机交互，再结合上述检测手段，本发明提供了一种全面检测、智能康复的下肢功能障碍康复平台。而且上述检测方式可以功能互补，互相参考修正，提高对患者动作的检测水平与准确度。

2.本发明提出的悬吊装置可以在用户相对于跑步机前后方向移动时随动，使绳索补偿拉力方向始终竖直。结合机电控制模块组成的减重系统，可以按照康复训练模式设置减重模式，完成包括如恒拉力减重、补偿动载荷、步行防跌倒等功能。整个装置结构简单，便于在商业跑步机中应用。

3.本发明采用计算机显示屏与投影仪对患者进行动作引导，通过足底压力检测、图像检测和可接入的其他检测手段的结合，增加了对患者动作进行主动干预的措施，使患者的认知能力、动作协调能力、平衡能力在训练中得到评估与锻炼。通过动作引导，实时监测，结果反馈，基于计算机建立的康复模型与体感游戏，可以实时拟定新的动作引导方案，增加患者康复训练效果与趣味性。

4.本发明的使用，节省了医护人员的劳动，使辅助康复过程实现了自动化。医师可以通过本发明计算机数据分析得知患者康复训练的必要信息，并可以制定并执行特定康复模式的训练。本发明可以通过连接远程医疗系统，使康复训练不仅仅拘泥于医院、康复中心，便于患者康复训练在其他场合广泛开展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的跑步机内框的结构示意图；

图3为本发明的悬吊装置的机构示意图；

图4为本发明的硬件结构示意图。

图中：1为连接坡道，2为跑步机外框，3为跑步机内框，4为扶手吊架，5为悬吊装置，6为计算机，7为控制面板，8为摄像头，9为投影仪，11为三维压力传感器，12为内框框体，13为辊子，14为横梁，15为跑板，16为跑带，21为天车滑块，22为天车导轨，23为限位装置，24为弹性装置，25为绞车绳，26为电动绞车，27为天车滑轮，28为悬吊绳，29为悬吊滑轮，30为悬吊滑轮架，31为拉力传感器，32为固定支座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1和图4所示，本发明康复训练用智能跑步机，主要由连接坡道1、跑步机外框2、跑步机内框3、扶手吊架4、悬吊装置5、计算机6、控制面板7、摄像头8、投影仪9和附属于计算机6的机电控制模块、动作引导模块、数据采集模块等硬件模块组成。

跑步机外框2作为跑步机主体与其他部分连接，其中连接坡道1与跑步机外框2后方对接，实现患者在轮椅上通过连接坡道1上下跑步机。跑步机内框3与跑步机外框2通过俯仰-侧倾机构连接，使跑步机内框3相对于跑步机外框2实现俯仰-侧倾运动，具体来说，俯仰-侧倾机构可以选择满足机构运动要求的空间机构，如在两转轴处有电机转动驱动的胡克铰链、Stewart机构。扶手吊架4固连于跑步机外框2两侧边框，供患者手扶并支承悬吊装置5；跑步机外框2前方与计算机6连接，计算机6显示屏朝向跑步机；跑步机外框2侧面支架安装的摄像头8与计算机6显示屏面下方安装的摄像头8用于对患者行走过程进行动作捕捉。具体来说，摄像头8可以选择3D深度摄像头，产生位置与深度信息，便于计算机分析图像。跑步机外框2侧面支架安装的投影仪9在跑步机内框3的跑带16上产生投影，与计算机6显示屏上的指示用于对患者步行引导。投影图像可以是矩形色块，用于引导患者足部移动进入，调整患者姿态；也可以通过患者脚踩特定投影指示图标，与计算机6显示屏提供的虚拟场景进行交互。悬吊装置5提供跟随患者相对于跑步机外框2前进-后退，俯仰-侧倾运动的竖直向上的补偿拉力，并通过悬吊装置5的拉力传感器31测得补偿拉力，使患者可以在设定的减重条件下训练；控制面板7连接在扶手吊架4上，用于设定康复训练模式，控制跑步机各模块的运行参数，与计算机6显示屏共同用于人机交互。控制面板7底座可以绕连接的立柱左右旋转，也可以通过底部连接铰链上下旋转，调整控制面板7的朝向，便于患者与跑步机旁操作人员操作。跑步机内框3是实现基本行走功能的跑步机本体，跑步机内框3的跑板15上表面粘贴有柔性压力传感器层及保护层，下表面通过4个三维压力传感器11固连在跑步机内框3的横梁14上，通过柔性压力传感器与三维压力传感器信号可以获取患者的足底压力参数。

如图2所示，跑步机内框3主要由三维压力传感器11、内框框体12、辊子13、横梁14、跑板15、跑带16组成；内框框体12与横梁14组成跑步机内框3的刚性框架，按照跑步机具体大小，承载跑带16的跑板15可以有1个或2个；与传统跑步机相比，跑步机内框3的结构有如下不同：横梁14与跑板15间通过4个三维压力传感器11固连，跑板15上表面粘贴有柔性压力传感器层及保护层，保护层防止在跑步机使用过程中，跑带16对柔性压力传感器层直接磨损，增加使用寿命；其余基本原理与传统跑步机保持一致，通过计算机6中的机电控制模块控制跑步机本体中伺服电机转动，经传动系统转化为跑带16按2个辊子13约束的转动，实现基本行走功能；在实际使用过程中，患者行走对跑带16与跑板15产生反力，通过柔性压力传感器可以获取患者足印压力分布情况，并可按照康复需求对测得的足印提取如足长、足宽、左右脚支撑压力百分比等参数；通过横梁14与跑板15间通过4个三维压力传感器11信号可以算出患者对跑带16与跑板15产生的反力的合力大小与方向；在实际使用前，患者使用悬吊装置5辅助站立，通过调整悬吊装置5的补偿拉力，与三维压力传感器11测得压力值可用于柔性压力传感器标定；上述数据通过计算机6中的数据采集模块传输至计算机进行解算与显示。

如图3所示，悬吊装置5主要由框架、天车滑块21、天车导轨22、限位装置23、弹性装置24、绞车绳25、电动绞车26、天车滑轮27、悬吊绳28、悬吊滑轮29、悬吊滑轮架30、拉力传感器31、固定支座32、悬吊横梁、减重吊带等功能模块组成；天车导轨22与固定支座32固连在框架上，框架是悬吊装置5的基座；2个天车滑轮27的底座固连在天车滑块21上；悬吊绳28为刚性绳，一端与固定支座32连接，经天车滑轮27其一、悬吊滑轮29、天车滑轮27其二引导，另一端连接弹性装置24一端；在固定支座32与天车滑轮27其一间的悬吊绳28中间打断，两端分别与拉力传感器31连接，拉力传感器31测量悬吊绳28的绳间拉力，作为悬吊装置5的补偿拉力；在天车滑轮27其二与弹性装置24间的悬吊绳28同心固连限位装置23的一部分，限位装置23的另一部分固连在框架上，当由于悬吊绳28与框架发生相对运动而使限位装置23两部分机械接触，限位装置23起到限位作用，阻止这种相对运动继续进行；限位装置23的两部分间安装距离传感器，通过测量限位装置23的两部分间距离，可以得出悬吊滑轮架30及其连接的悬吊横梁的位置；弹性装置24另一端经绞车绳25连接至电动绞车26转轴上；悬吊滑轮29与悬吊滑轮架30通过心轴连接，使其可相对转动，悬吊滑轮架30经悬吊横梁、减重吊带与患者人体固定，上述拉力传感器31也可以布置在悬吊滑轮架30与悬吊横梁间测量悬吊装置5的补偿拉力；电动绞车26由伺服电机、棘轮装置、绞盘组成，绞车绳25缠绕在绞盘上，绞盘与棘轮装置转轴、伺服电机转轴同轴刚性连接；伺服电机转动角度、转动速度、提供力矩由伺服电机的控制器、驱动器经机电控制模块输出；棘轮装置用于在伺服电机转角由机电控制模块给定后，阻止绞盘的放线旋转，使伺服电机不必在悬吊装置使用过程中始终提供驱动力矩；

悬吊装置5在实际使用时，患者首先穿着减重吊带，由机电控制模块控制电动绞车26对绞车绳25放线，在悬吊滑轮29、悬吊滑轮架30、悬吊横梁的重力作用下，悬吊横梁下降至减重吊带连接高度，对悬吊滑轮29、悬吊滑轮架30、悬吊横梁前后拖动可以调整上述功能模块前后位置，便于将悬吊横梁与减重吊带连接；连接完成后，由机电控制模块控制电动绞车26对绞车绳25收线，使减重吊带承载人体提升；提升过程中产生拉力使弹性装置24拉伸，拉力传感器31测量悬吊绳28拉力，当人体处于站立姿态后，机电控制模块控制电动绞车26继续收线，悬吊滑轮29高度基本不变，弹性装置24继续拉伸，至拉力传感器31测量悬吊绳28拉力到达计算机6给定值停止；训练过程中如因患者跌倒而快速拉动悬吊绳28，经机电控制模块对限位装置23两部分间距测量或基于拉力传感器31拉力判断，机电控制模块控制电动绞车26对绞车绳25收线或限位装置23两部分发生机械接触，可以防止患者跌倒。

上述悬吊装置5的天车滑块21与天车导轨22组成滚动摩擦导轨，其相对运动阻力小；由2个天车滑轮27与1个悬吊滑轮29组成的滑轮组，使悬吊绳28拉力值一定且悬吊滑轮架30竖直位置一定时，患者人体、减重吊带、悬吊横梁、悬吊滑轮架30带动悬吊滑轮29沿天车导轨22方向平移阻力小；在患者实际使用过程中，在基本不改变补偿拉力与减重吊带竖直位置的情况下，使天车滑块21随患者相对于跑步机外框2可以前后移动；弹性装置24在患者处于训练位置行走，重心经带动减重吊带、悬吊横梁、悬吊滑轮架30使悬吊滑轮29上下起伏时，起到基本缓冲作用；选择较低刚度和较大极限拉力的弹性装置24，使在上述情况下，电动绞车26即使不工作也能产生近似恒定的补偿拉力；在患者训练时，也可通过计算机6的机电控制模块，结合拉力传感器31拉力信号、限位装置23两部分间距信号、数据采集模块获得的其他信号，通过机电控制模块运行控制算法使补偿拉力保持恒定，满足康复训练需求。

如图4所示，机电控制模块控制俯仰-侧倾机构、跑步机本体伺服电机、悬吊装置5，并可获取悬吊装置5对人体的补偿拉力信号；动作引导模块控制投影仪9、计算机6显示屏，用于引导患者正确进行康复训练并提供与患者人机交互的训练任务，任务完成情况由数据采集模块采集；数据采集模块采集摄像头8、柔性压力传感器、三维压力传感器11和可以附加的心率检测模块、运动手环等设备的患者运动相关与任务完成原始数据；计算机分析处理数据采集模块采集的原始数据，获取患者步态参数、任务完成情况和其他参考数据，并基于康复效果评估模型，得出对康复训练效果的量化评估，并可将结果反馈给计算机6显示屏或控制面板7供患者、医师参考；用户通过控制面板7输入患者基本信息，设置康复训练模式，使计算机6根据康复训练程序匹配合适的康复训练模式，按照上述机电控制模块、动作引导模块功能，运行本装置。机电控制模块主要由运动控制板卡、电机控制板卡、电机驱动器组成。数据采集模块可以由专用的数据采集板卡集成。计算机由上述模块的信息和简单分析结果，按照特定算法软件分析。动作引导模块通过计算机控制外设实现。

2个摄像头8分别布置于跑步机外框2侧方与前方，由数据采集模块采集患者在跑步机内框3的动作视频；计算机基于立体视觉、特征提取、特征匹配、图像重建、视觉跟踪算法，对患者动作进行图像处理与分析，结合动作引导模块功能，得出患者步态参数、任务完成情况、和其他参考数据；计算机可将患者动作视频进行实时三维重建并提取上述简单参数，经计算机6显示屏、控制面板7反馈给用户，作为康复训练过程中的参考。

Claims (2)

1.一种康复训练用智能跑步机，主要由连接坡道(1)、跑步机外框(2)、跑步机内框(3)、扶手吊架(4)、悬吊装置(5)、计算机(6)、控制面板(7)、摄像头(8)、投影仪(9)、计算机(6)和附属于计算机(6)中的硬件模块：机电控制模块、动作引导模块、数据采集模块组成；其特征在于，跑步机外框(2)是跑步机的主体，其中，连接坡道(1)与跑步机外框(2)后方对接，实现患者在轮椅上通过连接坡道(1)上下跑步机；跑步机内框(3)与跑步机外框(2)通过俯仰-侧倾机构连接，使跑步机内框(3)相对于跑步机外框(2)实现俯仰-侧倾运动；扶手吊架(4)固连于跑步机外框(2)两侧边框，供患者手扶并支承悬吊装置(5)；跑步机外框(2)前方与计算机(6)连接，计算机(6)显示屏朝向跑步机；跑步机外框(2)侧面支架安装的摄像头(8)与计算机(6)显示屏面下方安装的摄像头(8)用于对患者行走过程进行动作捕捉；跑步机外框(2)侧面支架安装的投影仪(9)在跑步机内框(3)的跑带(16)上产生投影，与计算机(6)显示屏上的指示用于对患者步行引导；悬吊装置(5)提供跟随患者相对于跑步机外框(2)前进-后退，俯仰-侧倾运动的竖直向上的补偿拉力，并通过悬吊装置(5)的拉力传感器(31)测得补偿拉力，使患者可以在设定的减重条件下训练；控制面板(7)连接在扶手吊架(4)上，用于设定康复训练模式，控制跑步机各模块的运行参数，与计算机(6)显示屏共同用于人机交互；跑步机内框(3)是实现基本行走功能的跑步机本体，跑步机内框(3)的跑板(15)上表面粘贴有柔性压力传感器层及保护层，下表面通过4个三维压力传感器(11)固连在跑步机内框(3)的横梁(14)上，通过柔性压力传感器与三维压力传感器信号可以获取患者的足底压力参数；

跑步机内框(3)主要由三维压力传感器(11)、内框框体(12)、辊子(13)、横梁(14)、跑板(15)、跑带(16)组成；内框框体(12)与横梁(14)组成跑步机内框(3)的刚性框架，按照跑步机具体大小，承载跑带(16)的跑板(15)可以有1个或2个；横梁(14)与跑板(15)间通过4个三维压力传感器(11)固连，跑板(15)上表面粘贴有柔性压力传感器层及保护层，保护层防止在跑步机使用过程中，跑带(16)对柔性压力传感器层直接磨损，增加使用寿命；通过计算机(6)中的机电控制模块控制跑步机本体中伺服电机转动，经传动系统转化为跑带(16)按2个辊子(13)约束的转动，实现基本行走功能；在实际使用过程中，患者行走对跑带(16)与跑板(15)产生反力，通过柔性压力传感器可以获取患者足印压力分布情况，通过横梁(14)与跑板(15)间通过4个三维压力传感器(11)信号可以算出患者对跑带(16)与跑板(15)产生的反力的合力大小与方向；在实际使用前，患者使用悬吊装置(5)辅助站立，通过调整悬吊装置(5)的补偿拉力，与三维压力传感器(11)测得压力值可用于柔性压力传感器标定；上述数据通过计算机(6)中的数据采集模块传输至计算机进行解算与显示；

悬吊装置(5)主要由框架、天车滑块(21)、天车导轨(22)、限位装置(23)、弹性装置(24)、绞车绳(25)、电动绞车(26)、天车滑轮(27)、悬吊绳(28)、悬吊滑轮(29)、悬吊滑轮架(30)、拉力传感器(31)、固定支座(32)、悬吊横梁、减重吊带功能模块组成；天车导轨(22)与固定支座(32)固连在框架上，框架是悬吊装置(5)的基座；2个天车滑轮(27)的底座固连在天车滑块(21)上；悬吊绳(28)为刚性绳，一端与固定支座(32)连接，经天车滑轮(27)其一、悬吊滑轮(29)、天车滑轮(27)其二引导，另一端连接弹性装置(24)一端；在固定支座(32)与天车滑轮(27)其一间的悬吊绳(28)中间打断，两端分别与拉力传感器(31)连接，拉力传感器(31)测量悬吊绳(28)的绳间拉力，作为悬吊装置(5)的补偿拉力；在天车滑轮(27)其二与弹性装置(24)间的悬吊绳(28)同心固连限位装置(23)的一部分，限位装置(23)的另一部分固连在框架上，当由于悬吊绳(28)与框架发生相对运动而使限位装置(23)两部分机械接触，限位装置(23)起到限位作用，阻止这种相对运动继续进行；限位装置(23)的两部分间安装距离传感器，通过测量限位装置(23)的两部分间距离，可以得出悬吊滑轮架(30)及其连接的悬吊横梁的位置；弹性装置(24)另一端经绞车绳(25)连接至电动绞车(26)转轴上；悬吊滑轮(29)与悬吊滑轮架(30)通过心轴连接，使其可相对转动，悬吊滑轮架(30)经悬吊横梁、减重吊带与患者人体固定，上述拉力传感器(31)也可以布置在悬吊滑轮架(30)与悬吊横梁间测量悬吊装置(5)的补偿拉力；电动绞车(26)由伺服电机、棘轮装置、绞盘组成，绞车绳(25)缠绕在绞盘上，绞盘与棘轮装置转轴、伺服电机转轴同轴刚性连接；伺服电机转动角度、转动速度、提供力矩由伺服电机的控制器、驱动器经机电控制模块输出；棘轮装置用于在伺服电机转角由机电控制模块给定后，阻止绞盘的放线旋转，使伺服电机不必在悬吊装置使用过程中始终提供驱动力矩；

悬吊装置(5)在实际使用时，患者首先穿着减重吊带，由机电控制模块控制电动绞车(26)对绞车绳(25)放线，在悬吊滑轮(29)、悬吊滑轮架(30)、悬吊横梁的重力作用下，悬吊横梁下降至减重吊带连接高度，对悬吊滑轮(29)、悬吊滑轮架(30)、悬吊横梁前后拖动可以调整上述功能模块前后位置，便于将悬吊横梁与减重吊带连接；连接完成后，由机电控制模块控制电动绞车(26)对绞车绳(25)收线，使减重吊带承载人体提升；提升过程中产生拉力使弹性装置(24)拉伸，拉力传感器(31)测量悬吊绳(28)拉力，当人体处于站立姿态后，机电控制模块控制电动绞车(26)继续收线，悬吊滑轮(29)高度基本不变，弹性装置(24)继续拉伸，至拉力传感器(31)测量悬吊绳(28)拉力到达计算机(6)给定值停止；训练过程中如因患者跌倒而快速拉动悬吊绳(28)，经机电控制模块对限位装置(23)两部分间距测量或基于拉力传感器(31)拉力判断，机电控制模块控制电动绞车(26)对绞车绳(25)收线或限位装置(23)两部分发生机械接触，可以防止患者跌倒；

上述悬吊装置(5)的天车滑块(21)与天车导轨(22)组成滚动摩擦导轨；通过2个天车滑轮(27)与1个悬吊滑轮(29)组成的滑轮组，患者在基本不改变补偿拉力与减重吊带竖直位置的情况下，天车滑块(21)受滑轮组前后方向分力，随患者相对于跑步机外框(2)可以前后移动；弹性装置(24)在患者处于训练位置行走，重心经带动减重吊带、悬吊横梁、悬吊滑轮架(30)使悬吊滑轮(29)上下起伏时，起到基本缓冲作用；选择较低刚度和较大极限拉力的弹性装置(24)，使在上述情况下，电动绞车(26)即使不工作也能产生近似恒定的补偿拉力；在患者训练时，也可通过计算机(6)的机电控制模块，结合拉力传感器(31)拉力信号、限位装置(23)两部分间距信号、数据采集模块获得的其他信号，通过机电控制模块运行控制算法使补偿拉力保持恒定，满足康复训练需求；

机电控制模块控制俯仰-侧倾机构、跑步机本体伺服电机、悬吊装置(5)，并可获取悬吊装置(5)对人体的补偿拉力信号；动作引导模块控制投影仪(9)、计算机(6)显示屏，用于引导患者正确进行康复训练并提供与患者人机交互的训练任务，任务完成情况由数据采集模块采集；数据采集模块采集摄像头(8)、柔性压力传感器、三维压力传感器(11)和可以附加的心率检测模块、运动手环设备的患者运动相关与任务完成原始数据；计算机分析处理数据采集模块采集的原始数据，获取患者步态参数、任务完成情况和其他参考数据，并基于康复效果评估模型，得出对康复训练效果的量化评估，并可将结果反馈给计算机(6)显示屏或控制面板(7)供患者、医师参考；用户通过控制面板(7)输入患者基本信息，设置康复训练模式，使计算机(6)根据康复训练程序匹配合适的康复训练模式，按照上述机电控制模块、动作引导模块功能，运行本装置。

2.根据权利要求1所述的康复训练用智能跑步机，其特征在于，2个摄像头(8)分别布置于跑步机外框(2)侧方与前方，由数据采集模块采集患者在跑步机内框(3)的动作视频；计算机基于立体视觉、特征提取、特征匹配、图像重建、视觉跟踪算法，对患者动作进行图像处理与分析，结合动作引导模块功能，得出患者步态参数、任务完成情况、和其他参考数据；计算机(6)可将患者动作视频进行实时三维重建并提取上述简单参数，经计算机(6)显示屏、控制面板(7)反馈给用户，作为康复训练过程中的参考。

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