專利名稱：一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備，更具體地說是涉及一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練 跑臺(tái)及其控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
脊髓損傷是一種常見的疾病，多見于車禍、跌倒、運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷、擠壓傷和槍傷，在造成 患者肢體感覺、運(yùn)動(dòng)功能障礙等生理損傷的同時(shí)，還給個(gè)人心理帶來嚴(yán)重的壓力，對(duì)其回歸 社會(huì)有很大的影響。因此，采取積極有效的訓(xùn)練方法促進(jìn)患者行走能力的恢復(fù)是非常必要 的，目前臨床治療方法主要有功能性電刺激、減重療法和藥物干預(yù)等。隨著康復(fù)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的減重療法在臨床上已得到越來越廣泛的應(yīng)用。減重 療法是指在訓(xùn)練治療過程中，通過減重支持裝置減少患者下肢(對(duì)于動(dòng)物來說是后肢)的 負(fù)重，并將步行三要素(負(fù)重、邁步、平衡)有機(jī)地結(jié)合起來，促進(jìn)正常步態(tài)模式的建立，激 發(fā)治療信心。減重療法的最終目的是幫助患者恢復(fù)肌體組織的運(yùn)動(dòng)機(jī)能，改善其運(yùn)動(dòng)功能。 已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道減重療法在恢復(fù)步行能力、糾正步態(tài)、改善平衡及減輕肌肉痙攣等方 面有很大優(yōu)勢(shì)，不僅降低了治療師的工作強(qiáng)度，而且提高了治療安全性。近年來將減重療法 與其它治療方法(功能性電刺激、藥物治療等)相結(jié)合的組合療法逐漸成為研究熱點(diǎn)。迄 今為止，減重及其組合療法主要用于脊髓損傷患者和中風(fēng)患者，也可用于骨折、關(guān)節(jié)疾病、 截癱等下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者。脊髓硬膜外電刺激是由功能電刺激發(fā)展而來的新技術(shù)，國(guó) 外研究人員將脊髓硬膜外電刺激與減重療法相結(jié)合，用于不完全脊髓損傷患者行走功能的 康復(fù)，臨床實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，這一新的組合療法具有提高不完全脊髓損傷患者康復(fù)后行 走能力和調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)能量代謝的功能。盡管減重和脊髓硬膜外電刺激組合的新療法在實(shí)驗(yàn)研究和臨床應(yīng)用領(lǐng)域有著不 可低估的重要地位，但其確切作用機(jī)制至今仍未完全闡明，大大阻礙了該療法廣泛用于不 完全脊髓損傷患者行走功能的臨床康復(fù)治療，因此需通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究該療法最基本的神 經(jīng)機(jī)制，并指導(dǎo)臨床應(yīng)用。為了開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，需開發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物實(shí)施減重訓(xùn)練。大鼠 基因與人類基因較相似，醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究通常采用大鼠作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，因此本發(fā)明所研制的 多功能動(dòng)物跑臺(tái)主要用于對(duì)大鼠不完全脊髓損傷后實(shí)施減重訓(xùn)練，促進(jìn)其后肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?200910095261. 5)公開一種大鼠水中跑臺(tái)，可對(duì)水中平板步行 訓(xùn)練療法治療脊柱骨髓損傷的效果和機(jī)制進(jìn)行動(dòng)物模擬實(shí)驗(yàn)，其中包括一個(gè)箱體和電動(dòng)跑 道，箱體內(nèi)有一密封的內(nèi)容腔，可將水倒入其內(nèi)，同時(shí)，電動(dòng)跑道兩側(cè)設(shè)有護(hù)欄，可防止大鼠 跑出跑道。該跑臺(tái)提供一種動(dòng)物水中平板步行訓(xùn)練環(huán)境，功能單一，無法模擬陸地步行訓(xùn)練 環(huán)境，不適用于減重及其組合療法的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，并且沒有康復(fù)機(jī)械手輔助不完全脊髓損傷 大鼠的后肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)，該動(dòng)物跑臺(tái)采用減重支持裝置給大鼠提供一個(gè)向上的拉力，以減輕動(dòng)物后肢負(fù)重，并用康復(fù)機(jī)械手輔助動(dòng)物后肢進(jìn) 行特定的跑臺(tái)訓(xùn)練，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物脊髓損傷后的行走功能恢復(fù)，也可提供運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué) 研究所需的動(dòng)物跑臺(tái)訓(xùn)練。一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)，包括跑步機(jī)，用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練；減重支 持裝置，用于為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物提供減重支持；和康復(fù)機(jī)械手，用于輔助上述實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。本發(fā)明所述的提供減重支持具體為固定所述實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的軀干，使其在跑步機(jī)上 保持一定的站立姿勢(shì)，并通過給其提供一個(gè)向上的拉力，減輕其后肢的負(fù)重。本發(fā)明所述的減重支持裝置包括鋁片，調(diào)節(jié)桿，內(nèi)部具有彈簧的圓筒，拉力傳感 器，螺紋桿，第二電動(dòng)推桿以及門形框架；鋁片上安裝吊帶背心，用于固定所述實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的軀干，鋁片通過調(diào)節(jié)桿與圓筒內(nèi) 的彈簧連接，所述的拉力傳感器用來測(cè)量減重支持裝置給所述實(shí)驗(yàn)動(dòng)物提供的減重重量， 其上下兩端通過螺紋桿分別與第二電動(dòng)推桿和圓筒內(nèi)的彈簧連接，所述的第二電動(dòng)推桿垂 直固定安裝在門形框架上部，所述的門形框架固定安裝在所述的跑步機(jī)上。本發(fā)明所述鋁片內(nèi)側(cè)面與所述跑步機(jī)上的跑帶表面的夾角通過所述調(diào)節(jié)桿調(diào)節(jié)。本發(fā)明所述的康復(fù)機(jī)械手通過其連桿機(jī)構(gòu)末端的連接件與動(dòng)物后肢連接，在所述 的連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物后肢實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的兩自由度運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明所述的連桿機(jī)構(gòu)包括第一主動(dòng)桿、第二主動(dòng)桿，第一從動(dòng)桿，第二從動(dòng)桿， 第三從動(dòng)桿和一個(gè)三角形桿，所述的第一主動(dòng)桿、第二主動(dòng)桿分別安裝在兩個(gè)直流電機(jī)的 轉(zhuǎn)軸上，由直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第一主動(dòng)桿帶動(dòng)三個(gè)從動(dòng)桿和三角形桿產(chǎn) 生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，第二主動(dòng)桿帶動(dòng)第二和第三從動(dòng)桿產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，通過對(duì)兩個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控 制，使第三從動(dòng)桿末端帶動(dòng)所述實(shí)驗(yàn)動(dòng)物后肢實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的兩自由度運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明所述的跑步機(jī)的跑道傾角能夠通過安裝在跑道下部的跑道角度調(diào)節(jié)裝置 進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明所述的康復(fù)機(jī)械手能夠?qū)Ρ粍?dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練一段時(shí)間后的后肢運(yùn)動(dòng)功能障礙 動(dòng)物的后肢運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，即讓所述后肢運(yùn)動(dòng)功能障礙動(dòng)物的后肢做主動(dòng)運(yùn)動(dòng)， 而康復(fù)機(jī)械手不提供輔助力，僅跟隨該主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，通過角度傳感器記錄該康復(fù)機(jī)械手的運(yùn) 動(dòng)軌跡，即能夠用于定量評(píng)價(jià)所述后肢運(yùn)動(dòng)功能障礙動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)功能。本發(fā)明所述的跑臺(tái)不包括康復(fù)機(jī)械手。一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)的控制系統(tǒng)，包括角度傳感器、拉力傳感器、信號(hào)預(yù) 處理電路、A/D采集電路、控制器和上位機(jī)，角度傳感器和拉力傳感器分別用于測(cè)量康復(fù)機(jī)械手的位置和減重支持裝置提供 的減重支持，上述信號(hào)預(yù)處理電路、A/D采集電路、控制器組成的控制電路對(duì)上述角度傳感 器和拉力傳感器的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理并控制電機(jī)的運(yùn)行，上位機(jī)用于設(shè)定初始參數(shù)、記錄 和顯示康復(fù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)并對(duì)康復(fù)效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。本發(fā)明提供的動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)及其控制系統(tǒng)既可對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行單一的跑臺(tái)訓(xùn)練，又可以將跑步訓(xùn)練與電刺激結(jié)合起來使用。同時(shí)，由于本發(fā)明提供了一種減重支持裝置，因此可對(duì)具有后肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物實(shí)施跑臺(tái)訓(xùn)練和減重支持相結(jié)合的減重療 法，還能為減重與藥物、脊髓硬膜外電刺激等組合的新療法提供先進(jìn)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)手段。另 夕卜，在減重訓(xùn)練過程中，康復(fù)機(jī)械手可輔助不完全脊髓損傷實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的后肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，既可 為被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練模式提供特定的訓(xùn)練任務(wù)，又能在主動(dòng)訓(xùn)練模式下記錄實(shí)驗(yàn)動(dòng)物后肢的運(yùn) 動(dòng)軌跡。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例跑步機(jī)的主視圖1 ；圖2為本發(fā)明實(shí)施例跑步機(jī)的主視圖2 ；圖3為本發(fā)明實(shí)施例跑步機(jī)的右視圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例減重支持裝置主視圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例康復(fù)機(jī)械手主視圖1 ；圖6為本發(fā)明實(shí)施例康復(fù)機(jī)械手主視圖2 ；圖7為本發(fā)明實(shí)施例具有透明有機(jī)玻璃擋板的跑臺(tái)主視立體圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例具有減重支持裝置的跑臺(tái)主視立體圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例具有減重支持裝置和康復(fù)機(jī)械手輔助的跑臺(tái)主視立體圖；圖10為本發(fā)明實(shí)施例跑臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為本發(fā)明實(shí)施例康復(fù)機(jī)械手輔助大鼠后肢訓(xùn)練的控制流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1 6所示，多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)包括跑步機(jī)(圖1 3)、減重支持裝置 (圖4)和康復(fù)機(jī)械手三部分(圖5、6)。圖7為具有透明有機(jī)玻璃擋板和刺激電極跑臺(tái)機(jī) 械結(jié)構(gòu)圖，圖8為具有減重支持裝置的跑臺(tái)結(jié)構(gòu)圖，圖9為具有減重支持裝置和康復(fù)機(jī)械手 輔助的跑臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。各部分具體結(jié)構(gòu)如下。結(jié)合圖1 3，跑步機(jī)包括第一箱體1、電動(dòng)跑道2及抽屜3。所述的第一箱體1上 的第一長(zhǎng)條槽4用來固定減重支持裝置，所述的第一箱體1上的第二長(zhǎng)條槽5用來固定康 復(fù)機(jī)械手。電動(dòng)跑道2包括第二箱體6、滾軸固定塊8、主動(dòng)滾軸9、從動(dòng)滾軸10、跑帶12、電機(jī) 13、齒輪14和15、傳輸帶16以及跑道角度調(diào)節(jié)裝置19。第二箱體6上設(shè)有六個(gè)螺紋孔7， 用來固定安裝有機(jī)玻璃框架，第二箱體6的兩內(nèi)側(cè)各對(duì)稱安裝4個(gè)滾軸固定塊8，滾軸固定 塊8內(nèi)部均安有軸承，主動(dòng)滾軸9和三個(gè)從動(dòng)滾軸10的中軸分別與滾軸固定塊8內(nèi)的軸承 過盈配合裝配；為防止大鼠在跑帶上跑動(dòng)時(shí)打滑，所述的跑帶12由表面富有抓地力的PVC 材料構(gòu)成；為防止跑帶12在主動(dòng)滾軸9和從動(dòng)滾軸10上左右滑動(dòng)，所述的主動(dòng)滾軸9和從 動(dòng)滾軸10中間均設(shè)有小槽11，同時(shí)，所述的跑帶12與主動(dòng)滾軸9和從動(dòng)滾軸10接觸的一 面中間位置安裝一根導(dǎo)條，剛好卡在所述的小槽11內(nèi)。電機(jī)13安裝于箱體1內(nèi)部一側(cè)，其 具有調(diào)速范圍寬、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響；齒輪14與電 機(jī)13的轉(zhuǎn)軸連接，所述的齒輪15與主動(dòng)滾軸9的中軸連接，兩個(gè)齒輪通過傳輸帶16配合運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)13轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)滾軸9作為主動(dòng)軸帶動(dòng)從動(dòng)滾軸10運(yùn)動(dòng)；所述的主動(dòng)滾軸9的中軸通過聯(lián)軸器17與角度傳感器18連接，用來測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可以求出跑帶的速度。所述的跑道角度調(diào)節(jié)裝置19包括第一電動(dòng)推桿20和固定裝置21，電動(dòng)推桿20垂 直固定在第一箱體1底部，可以沿垂直于該第一箱體1底部的方向上下運(yùn)動(dòng)，固定裝置21 固定在第二箱體6底部，呈凹槽型，用于容納第一電動(dòng)推桿20的頂端，該固定裝置21凹槽 的兩側(cè)邊上分別設(shè)有第三長(zhǎng)條槽22。電動(dòng)跑道2的傾角通過第一電動(dòng)推桿20的上下運(yùn)動(dòng) 調(diào)節(jié)。當(dāng)電動(dòng)跑道2調(diào)整到合適傾角后，將螺釘23插入第三長(zhǎng)條槽22中，便可將第一電動(dòng) 推桿20和固定裝置21鎖緊固定?？紤]到大鼠在訓(xùn)練過程中可能會(huì)大便，產(chǎn)生的垃圾將隨跑帶運(yùn)動(dòng)而掉入跑步機(jī) 內(nèi)，難以清理，因而在所述的第二箱體6上對(duì)應(yīng)跑帶運(yùn)動(dòng)的末端設(shè)有第四長(zhǎng)條槽24，在該第 四長(zhǎng)條槽24下方設(shè)計(jì)一個(gè)便于取出的抽屜3，用于盛裝和清除垃圾，抽屜3的下面安裝一個(gè) U形底襯25，作為抽屜3的運(yùn)行軌道，抽屜3的外側(cè)安裝一個(gè)拉手26，便于取出抽屜。在本實(shí)施例中，為對(duì)脊髓損傷的大鼠進(jìn)行減重療法，設(shè)計(jì)了一套減重支持裝置，如 圖4所示。該減重支持裝置包括鋁片27，調(diào)節(jié)桿28和29，內(nèi)部具有彈簧的圓筒30，拉力傳 感器32，螺紋桿33和36，第二電動(dòng)推桿34以及門形框架37。鋁片27上安裝吊帶背心，用 于固定大鼠軀干，鋁片27內(nèi)側(cè)面與跑帶12表面的夾角可通過調(diào)節(jié)桿28、29調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍 為0 90°，這樣大鼠可以保持不同的站立姿勢(shì)。所述的調(diào)節(jié)桿28下端與鋁片27連接，所 述的調(diào)節(jié)桿29上端與圓筒30內(nèi)的彈簧連接，當(dāng)鋁片27的內(nèi)側(cè)面與跑帶12表面的夾角調(diào) 整到適當(dāng)位置時(shí)，通過螺釘31將調(diào)節(jié)桿28和調(diào)節(jié)桿29鎖緊。S型拉力傳感器32用來測(cè)量 減重支持裝置給大鼠提供的減重重量，其上端通過螺紋桿33與第二電動(dòng)推桿34的細(xì)桿35 連接，下端通過螺紋桿36與圓筒30內(nèi)的彈簧連接，所述的第二電動(dòng)推桿34垂直固定安裝 在門形框架37上部。為了方便減重支持裝置的安裝與拆卸，在門形框架37上設(shè)有第一豎 直長(zhǎng)條槽38，所述第一豎直長(zhǎng)條槽38與第一箱體1上的第一長(zhǎng)條槽4相滑移配合，通過螺 釘鎖緊。在本實(shí)施例中，所述的調(diào)節(jié)桿29與螺紋桿36之間通過圓筒30內(nèi)的彈簧連接，主 要是考慮到調(diào)節(jié)桿29、拉力傳感器32、螺紋桿33、35和電動(dòng)推桿34等都為剛性結(jié)構(gòu)，當(dāng)鋁 片27的內(nèi)側(cè)面與跑帶12表面的夾角固定后，大鼠的站姿確定，在保證大鼠的后肢與跑帶12 表面接觸的前提下，剛性結(jié)構(gòu)不能給大鼠提供變化的拉力。加上彈簧后，減重支持裝置就可 以對(duì)同一站姿狀態(tài)下的大鼠提供不同的減重支持，以滿足不同實(shí)驗(yàn)要求。為防止彈簧在水 平方向有運(yùn)動(dòng)，所述的彈簧套在圓筒30內(nèi)，圓筒30固定在板39上，板39固定在門形框架 37上。所述的圓筒30的長(zhǎng)度大于所述的彈簧最大拉伸時(shí)的長(zhǎng)度，這樣可將調(diào)節(jié)桿29上端 與螺紋桿36下端的一部分也套在圓筒30內(nèi)，即可確保彈簧伸縮變化時(shí)，整個(gè)減重支持裝 置的調(diào)節(jié)部分只具有豎直方向上的運(yùn)動(dòng)，從而可以在大鼠后肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程中支撐腿變化 時(shí)，保持其身體平衡。在本實(shí)施例中，當(dāng)?shù)诙妱?dòng)推桿34上的控制電機(jī)40轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第二電動(dòng)推桿34的 細(xì)桿35可上下伸縮，使得彈簧拉伸長(zhǎng)度發(fā)生變化，這樣彈簧間接施加于大鼠向上的拉力發(fā) 生變化，大鼠后肢的負(fù)重將隨之變化，即為大鼠提供的減重支持發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)過程中，可 根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定適當(dāng)?shù)臏p重重量，從而創(chuàng)造一個(gè)有利于不完全脊髓損傷大鼠運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的環(huán)境。在本實(shí)施例中，為輔助不完全脊髓損傷的大鼠進(jìn)行后肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，并記錄運(yùn)動(dòng)軌 跡，設(shè)計(jì)了兩套康復(fù)機(jī)械手裝置，如圖5、6所示。每套康復(fù)機(jī)械手包括一套連桿機(jī)構(gòu)，兩個(gè) 連接軸49、兩個(gè)角度傳感器50、三個(gè)固定螺釘51、角度傳感器安裝板52和固定板53。連桿 機(jī)構(gòu)包括第一主動(dòng)桿41、第二主動(dòng)桿42，從動(dòng)桿43、45、46和三角形桿44，各桿之間通過軸 承和圓鍵配合連接，保證連桿機(jī)構(gòu)緊湊，無間隙。所述的第一主動(dòng)桿41和第二主動(dòng)桿42分 別安裝在兩個(gè)直流電機(jī)47、48的轉(zhuǎn)軸上，由直流電機(jī)47、48直接驅(qū)動(dòng)。電機(jī)47轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第 一主動(dòng)桿41帶動(dòng)桿43、45、46和三角形桿44產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)；電機(jī)48轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第二主動(dòng)桿42 帶動(dòng)桿45和46產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)兩個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，可以使桿46末端帶動(dòng)大鼠后 肢實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的兩自由度運(yùn)動(dòng)?？紤]到大鼠在跑帶上正常行走時(shí)，后肢除了具有矢狀面上的運(yùn)動(dòng)外，還在冠狀面 內(nèi)有輕微的偏移，因此，在所述的桿46末端安裝一個(gè)鱷魚夾，其通過尼龍搭扣與大鼠后肢 的踝關(guān)節(jié)連接，使大鼠后肢在冠狀面內(nèi)可產(chǎn)生輕微的運(yùn)動(dòng)，從而其運(yùn)動(dòng)更接近自然步態(tài)。每個(gè)康復(fù)機(jī)械手的兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸分別通過兩個(gè)聯(lián)軸器49與兩個(gè)角度傳感器50 聯(lián)接，角度傳感器安裝板52用于固定安裝上述兩個(gè)角度傳感器50，角度傳感器安裝板52通 過固定螺釘51安裝在固定板53上。電機(jī)47、48轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過聯(lián)軸器49帶動(dòng)角度傳感器50 轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以測(cè)出桿41和桿42的相對(duì)于預(yù)先設(shè)定的基坐標(biāo)系的位置，進(jìn)而可以通過運(yùn)動(dòng) 學(xué)方程求出康復(fù)機(jī)械手的桿46末端的位置。所述的固定板53上的第二豎直長(zhǎng)條槽54與 第一箱體1上的第二長(zhǎng)條槽5滑移配合，通過螺釘可以將康復(fù)機(jī)械手裝置與跑步機(jī)的第一 箱體1固定連接，并且便于拆卸。第二長(zhǎng)條槽5與第二豎直長(zhǎng)條槽54相互垂直設(shè)計(jì)，使得 固定板53在箱體1上水平和豎直方向的位置可調(diào)，從而可以調(diào)節(jié)康復(fù)機(jī)械手末端與跑帶12 表面的相對(duì)位置，以適應(yīng)不同大鼠的體型差異。圖7為具有透明有機(jī)玻璃擋板的跑臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。該跑步機(jī)裝置包括圖1所示的 跑步機(jī)、框架54和透明有機(jī)玻璃擋板55?？蚣?4通過螺釘56安裝于第二箱體6上，便于 拆卸?？蚣?4上的透明有機(jī)玻璃擋板55將跑帶12隔離成三個(gè)獨(dú)立的跑道區(qū)域，當(dāng)不采用 減重支持時(shí)，跑臺(tái)可以同時(shí)對(duì)三只大鼠進(jìn)行訓(xùn)練，所有訓(xùn)練條件相同，動(dòng)物運(yùn)動(dòng)互不影響。 在每個(gè)跑道區(qū)域的后壁玻璃上裝有一排刺激電極，刺激電流的幅值和頻率可調(diào)。當(dāng)大鼠不 跑或跑速低于實(shí)驗(yàn)要求時(shí)，大鼠就會(huì)觸到后壁板上的刺激電極而受到電刺激，被迫按照實(shí) 驗(yàn)要求的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。通過調(diào)節(jié)跑步機(jī)內(nèi)的電機(jī)13的轉(zhuǎn)速就可以使跑帶12達(dá)到實(shí) 驗(yàn)要求的速度，其速度在一定范圍內(nèi)無級(jí)可調(diào)。另外，跑道傾角也可在一定范圍內(nèi)通過跑道 角度調(diào)節(jié)裝置19進(jìn)行調(diào)節(jié)，傾角越大，大鼠訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷越大。該圖為不具有減重支持裝置和康復(fù)機(jī)械手輔助的跑臺(tái)裝置，其既可對(duì)大鼠進(jìn)行單 獨(dú)的跑臺(tái)訓(xùn)練，又可將跑臺(tái)訓(xùn)練與電刺激結(jié)合起來使用。實(shí)驗(yàn)過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè) 定不同的跑帶速度、跑道傾角和刺激電極的刺激電流強(qiáng)度，以滿足不同負(fù)荷的訓(xùn)練需求。圖8為具有減重支持裝置的跑臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。該跑臺(tái)由圖1所示的跑步機(jī)57和圖4 所示的減重支持裝置58構(gòu)成，跑步機(jī)57第一箱體1上的水平第一長(zhǎng)條槽4與減重支持裝 置58的門形框架37上的第一豎直長(zhǎng)條槽38滑移配合，通過螺釘56鎖緊。對(duì)于不完全脊髓損傷后的大鼠，其后肢可能處于癱瘓狀態(tài)，無法承受身體的重量， 即使將其放在運(yùn)動(dòng)的跑帶上，也不能完成運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，在這種情況下，一種方法是可通過刺激電極刺激大鼠，促使其向前跑動(dòng)，這種方法圖7已經(jīng)介紹；另一種方法是采用圖8所示的減重支持裝置固定大鼠的軀干，使其保持站立姿勢(shì)，在大鼠訓(xùn)練過程中支撐腿變化時(shí)，保持其 身體平衡，并通過對(duì)大鼠提供一個(gè)向上的拉力，減小大鼠后肢的承重，從而提供有利于不完 全脊髓損傷大鼠運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的平臺(tái)。圖9為具有減重支持裝置和康復(fù)機(jī)械手輔助的跑臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。該跑臺(tái)由圖1所示的 跑步機(jī)57和圖4所示的減重支持裝置58和兩套圖6所示的康復(fù)機(jī)械手裝置59構(gòu)成。減 重支持裝置58和左右兩側(cè)的康復(fù)機(jī)械手裝置59通過螺釘56固定在跑步機(jī)上。對(duì)于脊髓損傷導(dǎo)致后肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的大鼠，一旦運(yùn)動(dòng)功能出現(xiàn)障礙，運(yùn)動(dòng)意識(shí) 可能變?nèi)酰跍p重條件下(圖8所示)后肢有可能仍然無法運(yùn)動(dòng)，此時(shí)需要康復(fù)機(jī)械手59 輔助其后肢完成運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練?？祻?fù)機(jī)械手不僅可以輔助脊髓損傷的大鼠進(jìn)行減重跑臺(tái)訓(xùn)練， 而且可以記錄詳實(shí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，用于運(yùn)動(dòng)功能的定量評(píng)價(jià)。本發(fā)明用于上述多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)的控制系統(tǒng)如圖10所示。該控制系統(tǒng) 包括角度傳感器、拉力傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、A/D采集電路、控制器DSP和上位機(jī)等。角度傳感器分別用來間接測(cè)量跑帶的速度和康復(fù)機(jī)械手主動(dòng)桿相對(duì)于基坐標(biāo)系 的位置。包括五個(gè)角度傳感器，其中一個(gè)傳感器固定在跑步機(jī)的主動(dòng)軸上，用來間接測(cè)量跑 帶的速度；另外四個(gè)角度傳感器分別固定在兩塊傳感器固定板上，角度傳感器的旋轉(zhuǎn)軸通 過聯(lián)軸器與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，用來測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)軸的位置，即康復(fù)機(jī)械手主動(dòng)桿的位置，然后 通過運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算出康復(fù)機(jī)械手末端的位置。拉力傳感器安裝于減重支持裝置上，用來測(cè)量減重支持裝置給大鼠提供的減重支 持。信號(hào)預(yù)處理電路接收來自角度和拉力傳感器的信號(hào)，經(jīng)放大、濾波等處理后，通過 A/D采集電路送給控制器DSP。光電隔離電路將DSP輸出的相關(guān)數(shù)字信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路的相關(guān)模擬信號(hào)隔離。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)經(jīng)過光電隔離電路后的相關(guān)控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。控制器DSP接收拉力傳感器測(cè)量的動(dòng)物減重重量和角度傳感器測(cè)量的跑帶速度、 康復(fù)機(jī)械手關(guān)節(jié)角度等數(shù)據(jù)，并與預(yù)定的期望數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，采用控制算法進(jìn)行計(jì)算處理， 輸出相關(guān)信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以使輸出滿足控制要求。上位機(jī)提供動(dòng)物康復(fù)訓(xùn)練VC界面，計(jì)算機(jī)與控制器通過USB 口進(jìn)行通訊。計(jì)算機(jī) VC界面可以傳輸控制命令，包括跑帶啟動(dòng)、停止、速度設(shè)定、動(dòng)物減重重量設(shè)置、康復(fù)機(jī)械手 輔助大鼠后肢訓(xùn)練時(shí)的步頻和訓(xùn)練時(shí)間設(shè)置等。另外，訓(xùn)練過程中，控制器DSP將拉力傳感 器測(cè)量的動(dòng)物減重重量、角度傳感器測(cè)量的跑帶速度和康復(fù)機(jī)械手主動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)際角度、預(yù) 定的期望角度等參數(shù)傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)用來記錄脊髓損傷的動(dòng)物行走功能康復(fù)訓(xùn)練過程 中相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)康復(fù)效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。相關(guān)數(shù)據(jù)包括動(dòng)物后肢的當(dāng)前位置和運(yùn)動(dòng)軌跡、 當(dāng)前運(yùn)動(dòng)軌跡與期望運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差、各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的速度等。另外，外擴(kuò)FLASH存儲(chǔ)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，鍵盤用來傳輸相關(guān)控制命令，包括跑帶啟動(dòng)、停 止、速度設(shè)定、動(dòng)物減重重量設(shè)置、康復(fù)機(jī)械手輔助大鼠后肢訓(xùn)練時(shí)的步頻和訓(xùn)練時(shí)間設(shè)置 等。液晶顯示屏用來顯示控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、跑帶的速度、大鼠的減重重量、康復(fù)機(jī)械手輔助 大鼠后肢訓(xùn)練時(shí)的步頻和訓(xùn)練時(shí)間等，這樣，跑臺(tái)的控制系統(tǒng)可以脫離上位機(jī)獨(dú)立使用。圖11為康復(fù)機(jī)械手輔助大鼠后肢訓(xùn)練的控制流程示意圖。當(dāng)大鼠在跑臺(tái)上進(jìn)行減重訓(xùn)練時(shí)，康復(fù)機(jī)械手可提供兩種訓(xùn)練模式(1)被動(dòng)訓(xùn)練模式康復(fù)機(jī)械手抑制大鼠后肢產(chǎn)生的異常運(yùn)動(dòng)，完全帶動(dòng)后肢完 成正確或特定的訓(xùn)練任務(wù)；(2)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式大鼠后肢運(yùn)動(dòng)不受限制，康復(fù)機(jī)械手被動(dòng)地跟隨后肢運(yùn)動(dòng)，不提供輔助力。此時(shí)，康復(fù)機(jī)械手用來記錄大鼠后肢的運(yùn)動(dòng)軌跡，用于運(yùn)動(dòng)功能的定量評(píng)價(jià)。結(jié)合圖10和11，應(yīng)用上述多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)動(dòng)物減重跑臺(tái)訓(xùn)練 的方法具體步驟如下(1)通過上位機(jī)或鍵盤設(shè)定跑步機(jī)的跑帶速度、減重支持裝置提供的減重重量、康 復(fù)機(jī)械手輔助大鼠后肢訓(xùn)練時(shí)的步頻和訓(xùn)練時(shí)間等，并通過液晶或VC界面顯示。(2)采用減重支持裝置固定健康大鼠，其后肢在完全負(fù)重的狀態(tài)下進(jìn)行主動(dòng)跑臺(tái) 訓(xùn)練，康復(fù)機(jī)械手僅跟隨后肢運(yùn)動(dòng)，不提供輔助力，通過角度傳感器記錄康復(fù)機(jī)械手主動(dòng)桿 的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而通過運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求得大鼠后肢的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)具有后肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的 大鼠在跑臺(tái)上進(jìn)行被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，將多次重復(fù)記錄的健康大鼠運(yùn)動(dòng)軌跡的平均值作為康 復(fù)機(jī)械手輔助后肢訓(xùn)練的期望運(yùn)動(dòng)軌跡。另外，也可以給定一個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)軌跡作為康復(fù) 機(jī)械手輔助后肢訓(xùn)練的期望運(yùn)動(dòng)軌跡。(3)在減重環(huán)境下，后肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的大鼠進(jìn)行被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，康復(fù)機(jī)械手輔助 后肢完成正確(健康大鼠的運(yùn)動(dòng))或特定(給定的運(yùn)動(dòng))的訓(xùn)練任務(wù)。具體流程為角度傳 感器檢測(cè)康復(fù)機(jī)械手主動(dòng)桿位置，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)處理得到康復(fù)機(jī)械手末端(即大鼠后肢)的 實(shí)際位置，將該實(shí)際位置與期望運(yùn)動(dòng)位置的差值作為控制器的輸入，控制器進(jìn)行運(yùn)算處理 后，輸出安全范圍內(nèi)的相關(guān)控制信號(hào)，控制電機(jī)帶動(dòng)康復(fù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，直到訓(xùn)練任務(wù)完成。(4)后肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的大鼠在康復(fù)機(jī)械手輔助下被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練一段時(shí)間后，后 肢運(yùn)動(dòng)功能逐漸恢復(fù)。在減重環(huán)境下，大鼠的后肢做主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，康復(fù)機(jī)械手僅跟隨后肢運(yùn) 動(dòng)，不提供輔助力，通過角度傳感器記錄大鼠后肢的運(yùn)動(dòng)軌跡，用于運(yùn)動(dòng)功能的定量評(píng)價(jià)。上述實(shí)施例是針對(duì)大鼠設(shè)計(jì)的，當(dāng)用于體積較大的動(dòng)物(如貓、兔等)或較小的動(dòng) 物(如小鼠)時(shí)，只需將跑臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的相關(guān)部分作適應(yīng)性的加大或減小即可。上述實(shí)施例不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的限制，任何基于本發(fā)明的精神所作的改進(jìn)，都應(yīng) 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)，包括跑步機(jī)，用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練；減重支持裝置，用于為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物提供減重支持；和，康復(fù)機(jī)械手，用于輔助實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)，其特征在于，所述的提供減 重支持具體為固定所述實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的軀干，使其在跑步機(jī)上保持一定的站立姿勢(shì)，并通過給 其提供一個(gè)向上的拉力，減輕其后肢的負(fù)重。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)，其特征在于，所述的減重 支持裝置包括鋁片(27)，調(diào)節(jié)桿(28，29)，內(nèi)部具有彈簧的圓筒(30)，拉力傳感器(32)，螺 紋桿(33，36)，第二電動(dòng)推桿(34)以及門形框架(37)；鋁片(27)上安裝吊帶背心，用于固定所述實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的軀干，鋁片(27)通過調(diào)節(jié)桿(28， 29)與圓筒(30)內(nèi)的彈簧連接，所述的拉力傳感器(32)用來測(cè)量減重支持裝置給所述實(shí) 驗(yàn)動(dòng)物提供的減重重量，其上下兩端通過螺紋桿(33，36)分別與第二電動(dòng)推桿(34)和圓筒 (30)內(nèi)的彈簧連接，所述的第二電動(dòng)推桿(34)垂直固定安裝在門形框架(37)上部，所述的 門形框架(37)固定安裝在所述的跑步機(jī)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)，其特征在于，所述鋁片(27) 內(nèi)側(cè)面與所述跑步機(jī)上的跑帶(12)表面的夾角通過所述調(diào)節(jié)桿(28，29)調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)，其特征在于，所述的 康復(fù)機(jī)械手通過其連桿機(jī)構(gòu)末端的連接件與動(dòng)物后肢連接，在所述的連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下， 帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物后肢實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的兩自由度運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)，其特征在于，所述的連桿機(jī) 構(gòu)包括第一主動(dòng)桿(41)、第二主動(dòng)桿(42)，第一從動(dòng)桿(43)，第二從動(dòng)桿(45)，第三從動(dòng)桿 (46)和一個(gè)三角形桿(44)，所述的第一主動(dòng)桿(41)、第二主動(dòng)桿(42)分別安裝在兩個(gè)直流 電機(jī)(47，48)的轉(zhuǎn)軸上，由直流電機(jī)(47，48)直接驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)(47，48)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第一主 動(dòng)桿(41)帶動(dòng)三個(gè)從動(dòng)桿(43，45，46)和三角形桿(44)產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，第二主動(dòng)桿(42) 帶動(dòng)第二和第三從動(dòng)桿(45，46)產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，通過對(duì)兩個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，使第三從動(dòng) 桿(46)末端帶動(dòng)所述實(shí)驗(yàn)動(dòng)物后肢實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的兩自由度運(yùn)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)，其特征在于，所述的 跑步機(jī)的跑道傾角能夠通過安裝在跑道下部的跑道角度調(diào)節(jié)裝置(19)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，所述的康復(fù)機(jī)械手能夠?qū)Ρ粍?dòng)運(yùn) 動(dòng)訓(xùn)練一段時(shí)間后的后肢運(yùn)動(dòng)功能障礙動(dòng)物的后肢運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，即讓所述后肢 運(yùn)動(dòng)功能障礙動(dòng)物的后肢做主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而康復(fù)機(jī)械手不提供輔助力，僅跟隨該主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，通 過角度傳感器記錄該康復(fù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡，即能夠用于定量評(píng)價(jià)所述后肢運(yùn)動(dòng)功能障礙 動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)功能。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8之一所述的一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)，其特征在于，所述跑 臺(tái)不包括康復(fù)機(jī)械手。
10.權(quán)利要求1-9之一所述的多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)的控制系統(tǒng)，包括角度傳感器、 拉力傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、A/D采集電路、控制器和上位機(jī)，角度傳感器和拉力傳感器分別用于測(cè)量康復(fù)機(jī)械手的位置和減重支持裝置提供的減重支持，上述信號(hào)預(yù)處理電路、A/D采集電路、控制器組成的控制電路對(duì)上述角度傳感器和拉力傳感器的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理并控制電機(jī)的運(yùn)行，上位機(jī)用于設(shè)定初始參數(shù)、記錄和顯 示康復(fù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)并能夠?qū)祻?fù)效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。
全文摘要
一種多功能動(dòng)物減重訓(xùn)練跑臺(tái)及其控制系統(tǒng)，所述跑臺(tái)包括跑步機(jī)、減重支持裝置和康復(fù)機(jī)械手三部分。通過在跑步機(jī)上安裝有機(jī)玻璃和刺激電極，可對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行跑步訓(xùn)練，或跑步訓(xùn)練與電刺激結(jié)合的組合訓(xùn)練。通過在跑步機(jī)上安裝減重支持裝置，可對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物實(shí)施跑臺(tái)訓(xùn)練和減重支持相結(jié)合的減重跑臺(tái)訓(xùn)練。在減重跑臺(tái)訓(xùn)練過程中，康復(fù)機(jī)械手可輔助實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的后肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，既可為被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練模式提供正確的或預(yù)定的訓(xùn)練任務(wù)，又能在主動(dòng)訓(xùn)練模式下記錄實(shí)驗(yàn)動(dòng)物后肢的運(yùn)動(dòng)軌跡，用于運(yùn)動(dòng)功能的定量評(píng)價(jià)。本發(fā)明提供了一種醫(yī)學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物脊髓損傷后的行走功能恢復(fù)，也可提供運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究所需的動(dòng)物跑臺(tái)訓(xùn)練。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101822223SQ201010114140
公開日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者何際平, 姜軍慶, 徐琦, 方征宇, 王永驥, 邢科新 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)