專利名稱：主動減重步行訓練裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主動減重步行訓練裝置及方法，主要用于脊髓損傷患者的下肢減重步行 訓練。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代交通工具增加、交通事故的增多、體育運動性損傷的漸增，以及其它一些治傷 因素的存在，脊髓損傷患者呈急劇增加的趨勢，極大地危害著人類健康。醫(yī)學理論和實踐證 明，除了早期手術(shù)治療和藥物治療外，減重步行訓練(BWST)已經(jīng)成為治療脊髓損傷患者的 重要手段。
在減重步行訓練中，由于患者無法支撐自己的身體重量，需要通過其它方式來卸載病人 的自重，在康復訓練過程中，隨著患者逐漸康復，所需要的減重力也會逐漸減小，所以能按 照患者實際情況來提供相應的減重力，并維持恒定的減重力直接影響到減重步行訓練的效果。 目前從國內(nèi)外的研究情況看，雖然步行訓練的方式已經(jīng)從理療師手動引導患者腿部訓練轉(zhuǎn)向 使用下肢康復機器人進行自動訓練，但是減重方式大多停留在被動減重上，即采用配重塊形 式來進行減重，這種減重方法，減重量的更改需調(diào)整配重塊的數(shù)量或者大小，需要消耗操作 人員很大的體力并且很難實現(xiàn)微小調(diào)節(jié)，并且由于訓練時受到配重塊自身慣性的影響，導致 其提供的減重力誤差較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對配重塊方式被動減重存在的問題和不足，提供一種主動減重步行 訓練裝置及方法，提高減重步行訓練的效果。
為達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是本發(fā)明提供的主動減重方法是一種基于電機控制的
主動減重平臺，它能在減重步行訓練時為患者卸去部分自身重量。訓練時，患者位于跑步機 上，通過吊帶連接到鋼絲繩上，鋼絲繩的一端裝有絞盤，可以按照患者身高調(diào)節(jié)鋼絲繩的長 度，另一端連在減重機構(gòu)上，用于提供減重力，減重力的大小可以根據(jù)醫(yī)生的要求給定。在 整個訓練過程中，由力傳感器來檢測實際減重力的大小并反饋給上位機控制器以實現(xiàn)閉環(huán)控 制，從而保證減重力恒定。
根據(jù)上述的構(gòu)思，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種主動減重步行訓練裝置，包括支架、跑步機與減重機構(gòu)，其特征在于所述的減重機 構(gòu)安裝在支架上；該減重機構(gòu)的結(jié)構(gòu)是由電機驅(qū)動傳動機構(gòu)做直線運動；所述的傳動機構(gòu) 與鋼絲繩的一端相連接；所述的鋼絲繩的另一端通過定滑輪與動滑輪與絞盤相連接；所述的動滑輪與力傳感器相連接；所述的患者穿戴好吊帶位于跑步機上；所述的吊帶與支撐機構(gòu)相 連接，上方與力傳感器相連接。
上述主動減重步行訓練裝置中，所述的傳動機構(gòu)是所述的電機安裝在電機連接板上， 通過聯(lián)軸器來驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動；所述的滾珠絲杠兩端分別安裝在兩個軸承座上；所述的滾 珠絲杠的兩旁有兩個平行的導向軸；所述的兩個導向軸的兩端分別安裝在四個導向軸支座上； 所述的兩個導向軸上均套有直線軸承；所述的兩個直線軸承與連接板固接，通過連接板與滾 珠絲杠上的絲杠螺母、鋼絲繩連接板固接；所述的鋼絲繩連接板上有個小孔，用于固定鋼絲 繩，同時安裝著氣彈簧；所述的氣彈簧另一端與氣彈簧支座連接；所述的電機連接板、兩個 軸承座、四個導向軸支座和彈簧支座固定在一塊底板上；所述的底板安裝在支架上。
一種主動減重步行訓練方法，采用步行訓練裝置進行康復訓練，所述的力傳感器輸出信 號經(jīng)由變送器與數(shù)據(jù)采集卡連接；所述的數(shù)據(jù)采集卡連接到上位機控制器上；所述的電機與 電機驅(qū)動器連接；所述的電機驅(qū)動器與上位機控制器連接；所述的上位機控制器與顯示器相 互通信，通過鍵盤向顯示器輸入指令。
上述主動減重步行訓練方法，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式來控制電機。所述的直接轉(zhuǎn)矩控制 方式是將每次訓練的給定減重力值輸入到上位機控制器，上位機控制器將力信號轉(zhuǎn)換成相 對應的模擬電壓信號發(fā)送給電機驅(qū)動器，電機驅(qū)動器再將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成相對應的轉(zhuǎn)矩 信號發(fā)送給電機，驅(qū)動電機按指定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動；電機通過傳動機構(gòu)作用在鋼絲繩上以保持減重 力的恒定；而力傳感器將實際的減重力反饋給傳感器以形成閉環(huán)控制回路；
上述主動減重步行訓練方法，通過電機驅(qū)動絲杠來牽引鋼絲繩，為患者卸去自身的重量， 使得患者能夠在恒定減重力的情況下進行減重步行訓練；具體操作步驟如下
1) 患者穿戴好吊帶，在跑步機上就位，并將吊帶后端連接在支撐機構(gòu)上，上端連接在力 傳感器上；
2) 手動操作絞盤，通過鋼絲繩逐漸將患者吊起，直至雙腳處于脫離跑步機皮帶的臨界狀 態(tài)；
3) 通過鍵盤輸入控制參數(shù)訓練時間以及減重力大小，
4) 訓練開始，電機開始運作；力傳感器輸出實際減重力的大小，將減重力信號傳送到數(shù) 據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡再將信號最終反饋給上位機控制器，上位機控制器通過運算來 產(chǎn)生反饋信號來實時調(diào)整電機的輸出轉(zhuǎn)矩，以保證減重力在一定誤差范圍內(nèi)保持恒定;
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點本發(fā)明采用電機驅(qū)動形式， 能實現(xiàn)主動減重，并可以根據(jù)患者實際的康復情況任意調(diào)節(jié)減重力的大?。煌ㄟ^直接轉(zhuǎn)矩控制并通過力傳感器實現(xiàn)閉環(huán)控制回路能有效的減小減重力的誤差，使得減重力在較小的誤差 內(nèi)保持恒定，提高減重步行訓練的效果；此外，本發(fā)明還可以應用在模擬失重環(huán)境下的訓練， 例如本發(fā)明可以以用在宇航員在地面模擬在月球環(huán)境下進行步行訓練。


圖1是本發(fā)明的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明的自動控制系統(tǒng)示意圖。圖4是程序框圖。
具體實施方式
本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合

如下參見圖l，本主動減重步行訓練裝置，包括支架ll、跑步機12 (喬山PARAGON)與減重 機構(gòu)，其特征在于所述的減重機構(gòu)安裝在支架ll上；減重機構(gòu)的結(jié)構(gòu)是由電機1(YASKAM SGMJV08A)驅(qū)動傳動機構(gòu)2做直線運動；所述的傳動機構(gòu)與鋼絲繩3的一端相連接；所述的鋼 絲繩3的另一端通過定滑輪4與動滑輪6與絞盤5相連接；所述的動滑輪6與力傳感器7 (天 沐NS-WL1)相連接；所述的患者10穿戴好吊帶8位于跑步機12上；所述的吊帶8與支撐機 構(gòu)9相連接，上方與力傳感器7相連接。參見圖2，上述傳動機構(gòu)2是所述的電機1安裝在電機連接板25上，通過聯(lián)軸器13 來驅(qū)動滾珠絲杠16轉(zhuǎn)動；所述的滾珠絲杠16兩端安裝在軸承座20上；所述的滾珠絲杠16的兩旁有兩個平行的導向軸14;所述的導向軸的兩端安裝在導向軸支座19上；所述的兩個導向軸14上均套有直線軸承23;所述的兩個直線軸承23與連接板22固接，通過連接板22 與滾珠絲杠16上的絲杠螺母24、鋼絲繩連接板15固接；所述的鋼絲繩連接板15上有個小孔，用于固定鋼絲繩3，同時安裝著氣彈簧17;所述的氣彈簧另一端與氣彈簧支座18連接； 電機連接板、兩個軸承座、四個導向軸支座和彈簧支座固定在一塊底板21上；所述的底板21安裝在支架11上。參見圖3，本主動減重步行訓練方法，采用上述的主動減重步行訓練裝置進行康復訓練， 所述的力傳感器7輸出信號經(jīng)由變送器27與數(shù)據(jù)采集卡28(LABVIEW PXI-6251)連接；所述 的數(shù)據(jù)采集卡28連接到上位機控制器29(LABVIEW PXI-1042/PXI-8196)上；所述的電機1與 電機驅(qū)動器26 (YASKAWA SGDV5R5A01A)連接；所述的電機驅(qū)動器26與上位機控制器29連 接；所述的上位機控制器29與顯示器31相互通信，通過鍵盤30向顯示器31輸入指令。參見圖4，上述主動減重步行訓練方法，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式來控制電機。所述的直接轉(zhuǎn)矩控制方式是將每次訓練的給定減重力值輸入到控制器，控制器將力信號轉(zhuǎn)換成相對 應的模擬電壓信號發(fā)送給電機驅(qū)動器，電機驅(qū)動器再將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成相對應的轉(zhuǎn)矩信 號發(fā)送給電機，驅(qū)動電機按指定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動；電機通過傳動機構(gòu)作用在鋼絲繩上以保持減重力 的恒定；而力傳感器將實際的減重力反饋給傳感器以形成閉環(huán)控制回路； 本減重方法具體操作步驟如下1) 患者穿戴好吊帶，在跑步機上就位，并將吊帶后端連接在支撐機構(gòu)上，上端連接在力 傳感器上；2) 手動操作絞盤，通過鋼絲繩逐漸將患者吊起，直至雙腳處于脫離跑步機皮帶的臨界狀 態(tài)；3) 通過鍵盤輸入控制參數(shù)訓練時間以及減重力大小，4)訓練開始，電機開始運作；力傳感器輸出實際減重力的大小，將減重力信號傳送到數(shù)據(jù)采 集卡，數(shù)據(jù)釆集卡再將信號最終反饋給上位機控制器，上位機控制器通過運算來產(chǎn)生反饋信 號來實時調(diào)整電機的輸出轉(zhuǎn)矩，以保證減重力在一定誤差范圍內(nèi)保持恒定。
權(quán)利要求
1. 一種主動減重步行訓練裝置，包括一個支架(11)、一個跑步機(12)和一個減重機構(gòu)，其特征在于所述的減重機構(gòu)安裝在支架(11)上；該減重機構(gòu)的結(jié)構(gòu)是由一個電機(1)驅(qū)動一個傳動機構(gòu)(2)做直線運動，所述的傳動機構(gòu)(2)與鋼絲繩(3)的一端相連接，所述的鋼絲繩(3)的另一端通過定滑輪(4)、動滑輪(6)與絞盤(5)相連接；所述的動滑輪(6)與力傳感器(7)相連接；所述的患者(10)穿戴好吊帶(8)位于跑步機(12)上；所述的吊帶(8)與支撐機構(gòu)(9)相連接，上方與力傳感器(7)相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動減重步行訓練裝置，其特征在于所述的傳動機構(gòu)(2)是所 述的電機(1)安裝在電機連接板(25)上，通過聯(lián)軸器(13)來驅(qū)動滾珠絲杠(16)轉(zhuǎn) 動；所述的滾珠絲杠(16)兩端分別安裝在兩個軸承座(20)上；所述的滾珠絲杠(16) 的兩旁有兩個平行的導向軸(14);所述的兩個導向軸的兩端分別安裝在四個導向軸支座(19)上；所述的兩個導向軸(14)上均套有直線軸承(23);所述的兩個直線軸承(23) 與連接板(22)固接，通過連接板(22)與滾珠絲杠(16)上的絲杠螺母(24)、鋼絲繩 連接板(15)固接；所述的鋼絲繩連接板(15)上有個小孔，用于固定鋼絲繩(3)，同時安裝著氣彈簧(17);所述的氣彈簧另一端與氣彈簧支座(18)連接；所述的電機連接板(15)、兩個軸承座(20)、四個導向軸支座(19)和彈簧支座(18)固定在一塊底板(21) 上；所述的底板(21)安裝在所述的支架(11)上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動減重步行訓練裝置，其特征在于所述的力傳感器(7)輸出信 號經(jīng)由一個變送器(27)與一個數(shù)據(jù)采集卡(28)連接；所述的數(shù)據(jù)采集卡(28)連接到 上位機控制器(29)上；所述的電機(1)與電機驅(qū)動器(26)連接；所述的電機驅(qū)動器(26)與所述的上位機控制器(29)連接；所述的上位機控制器(29)與顯示器(31)相 互通信，通過鍵盤(30)向顯示器(31)輸入指令。
4. 一種主動減重步行訓練方法，采用根據(jù)權(quán)利要求3所述的主動減重步行訓練裝置進行康復 訓練，其特征在于采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式來控制所述的電機(1);所述的直接轉(zhuǎn)矩控制方 式是將每次訓練的給定減重力值輸入到所述的上位機控制器(29)，上位機控制器(29) 將力信號轉(zhuǎn)換成相對應的模擬電壓信號發(fā)送給所述的電機驅(qū)動器(26)，電機驅(qū)動器(26) 再將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成相對應的轉(zhuǎn)矩信號發(fā)送給電機(1)，驅(qū)動電機(1)按指定轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動；電機(1)通過所述的傳動機構(gòu)(2)作用在所述的鋼絲繩(3)上以保持減重力的 恒定；而所述的力傳感器(7)將實際的減重力反饋給傳感器(7)以形成閉環(huán)控制回路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的主動減重步行訓練方法，其特征在于通過所述的電機(1)驅(qū)動絲 杠(16)來牽引鋼絲繩(3)，為患者(10)卸去自身的重量，使得患者(10)能夠在恒定減重力的情況下進行減重步行訓練；具體操作步驟如下a. 患者(10)穿戴好吊帶(8)，在跑步機上就位，并將吊帶(8)后端連接在支撐機 構(gòu)(9)上，上端連接在力傳感器(7)上；b. 手動操作絞盤(5)，通過鋼絲繩(3)逐漸將患者(10)吊起，直至雙腳處于脫離 跑步機(12)皮帶的臨界狀態(tài)；c. 通過鍵盤(30)輸入控制參數(shù)訓練時間以及減重力大??；d. 訓練開始，電機(1)開始運作；力傳感器(7)輸出實際減重力的大小，將減重力信號傳送到數(shù)據(jù)采集卡(28)，數(shù)據(jù)采集卡再將信號最終反饋給上位機控制器 (20),上位機控制器(20)通過運算來產(chǎn)生反饋信號來實時調(diào)整電機(1)的輸 出轉(zhuǎn)矩，以保證減重力在一定誤差范圍內(nèi)保持恒定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種主動減重步行訓練裝置及方法。本裝置包括力傳感器、支架、跑步機與減重機構(gòu)。訓練時，患者位于跑步機上，通過吊帶連接到鋼絲繩上，鋼絲繩的一端裝有絞盤，可以按照患者身高調(diào)節(jié)鋼絲繩的長度，另一端連在減重機構(gòu)上，用于提供減重力，減重力的大小可以根據(jù)醫(yī)生的要求給定。在整個訓練過程中，由力傳感器來檢測實際減重力的大小并反饋給虛擬儀器以實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而保證減重力恒定。本發(fā)明的主動減重方法能有效地提高減重步行訓練的效果，其操作簡單，適于醫(yī)院、家庭進行康復訓練。
文檔編號A61H1/00GK101518490SQ20091004831
公開日2009年9月2日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者彬 方, 輝 楊, 沈林勇, 章亞男, 錢晉武 申請人:上海大學