CN102526947A - 下肢康复训练患者质量平衡器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种下肢康复训练患者质量平衡器及方法，本平衡器包括减重力产生机构、支架、电动绞车、钢丝绳、滑轮、力传感器、吊带、跑步机和控制系统。进行减重步行训练时，患者穿好吊带位于跑步机上，吊带通过动滑轮连接在钢丝绳上，钢丝绳的两端分别安装在减重力产生机构和电动绞车上，力传感器检测实际减重力的大小反馈给控制系统以实现闭环控制。针对由脊椎损伤、脑卒中等中枢神经系统疾病引起的下肢运动功能障碍患者，本发明可以同时减轻在进行减重步行训练时由患者自身重量和步行时的动态载荷对患者下肢造成的负担，实现恒质量减重。根据患者的恢复情况或训练要求，本发明中的减重器可以方便的调节减重比。减重器中的吊带可以实时跟随患者重心运动，利于患者正常生理步态的恢复。

Description

下肢康复训练患者质量平衡器及方法

技术领域

本发明涉及一种下肢康复训练患者质量平衡器及方法，属于康复医疗器械领域。主要用于脊髓损伤、脑卒中等神经系统疾病导致的有下肢运动功能障碍患者的减重步行康复训练。

背景技术

近年来，随着交通和工伤事故的增多，以及社会的老龄化，由脊椎损伤、脑卒中等中枢神经系统疾病引起的下肢运动功能障碍患者呈急剧增加的趋势，严重危害着患者的健康和生活质量，同时给患者家庭和社会带来沉重负担。已有大量的临床研究证实，除了早期手术治疗和药物治疗外，减重步行训练（Body Weight Support Treadmill Training, BWSTT）是针对该类疾病患者步行康复治疗的重要手段之一。

在减重步行训练中，由于患者无法支撑自身重量，就需要通过其它方式来卸载患者部分自身重量。在康复训练过程中，随着患者逐渐康复，所需要的减重力也会逐渐减小。在步行过程中，患者重心的上下波动还会产生惯性力，即动态载荷，同样会对患者下肢产生负担。所以为了提高减重步行训练的效果，所使用的减重器必须能按照患者实际情况来提供相应的减重力，并能同时减轻患者自身重量和行走过程中产生的动态载荷对患者下肢的负担。目前国内外采用的减重方式主要包括静平衡被动减重、配重块被动减重、弹簧被动减重和恒重量主动减重四种方式。其中，静平衡被动减重会妨碍患者重心的上下运动，不利于患者正常生理步态的恢复；配重块被动减重在调整减重力时需要消耗操作人员很大的体力，并且由于训练时受到配重块自身惯性的影响，导致其提供的减重力误差较大；弹簧被动减重在训练过程中由于患者重心位置的改变，不能提供出所需要的减重力；而恒重量主动减重虽然能很好的减轻患者自身重量对其下肢造成的负担，但是不能减轻步行过程中动态载荷对患者下肢造成的负担。

发明内容

本发明的目的在于针对目前国内外使用的减重方式所存在的问题和不足，提供一种下肢康复训练患者质量平衡器及方法，同时减轻患者自身重量和行走过程中产生的动态载荷对患者下肢造成的负担，达到患者感觉是在除去了部分自身质量后接受步行训练的效果，从而与正常行走过程中人体动力学模型保持一致，更加有利于患者正常生理步态的恢复。

本发明的构思是：本发明设计出的下肢康复训练患者质量平衡器是一种绳牵引式基于电机控制的主动减重系统。悬吊减重可降低患者对跌倒的恐惧心理，有利于患者站立进行早期的减重步行训练；通过控制电机可以根据需要实现减重力大小的实时可调，并能保证很高的精度和稳定性。减重步行训练时，患者穿好吊带位于跑步机上，吊带连接到钢丝绳上，钢丝绳的一端连在电动绞车上，另一端连在减重力产生机构上。电动绞车可以按照患者身高调节钢丝绳的长度，并且可以辅助医护人员帮助患者站立起来；减重力产生机构用于实现连接在钢丝绳上的吊带跟随患者重心轨迹运动并能提供减重力，减重力的大小可以根据患者实际训练情况由医护人员设定。为了降低减重力产生机构上电机的负载，从而减少能耗和降低热量，引入拉伸弹簧承担部分负载。在训练过程中，按照医护人员设定好的需要减去的质量，根据重力加速度和患者的重心加速度计算出减重力产生机构需要提供的减重力，再由力传感器检测实际减重力的大小并反馈给上位机控制器实现基于位置跟随的力反馈闭环控制，从而保证恒定的减质量。

根据上述的构思，本发明采用如下技术方案：

一种下肢康复训练患者质量平衡器，其特征在于训练时连于钢丝绳上的吊带能跟随患者重心轨迹运动，并能同时卸除部分患者自重和动态载荷对患者下肢的负担，达到恒质量减重效果。所述下肢康复训练患者质量平衡器包括减重力产生机构、支架、电动绞车、钢丝绳、滑轮、力传感器、吊带、跑步机和控制系统，所述减重力产生机构与钢丝绳的一端相连接；所述钢丝绳的另一端通过两个定滑轮和一个动滑轮与电动绞车相连接；所述两个定滑轮和电动绞车安装在上述支架上；所述滑轮通过钢丝绳与力传感器一端相连接；所述力传感器另一端通过钢丝绳与吊带相连接；所述吊带可穿在患者身上；所述跑步机安装在上述支架底部。

所述减重力产生机构由电机、电机连接板、联轴器、滚珠丝杠、轴承座、耦合器、编码器、丝杠螺母、导向轴、导向轴支座、直线轴承、钢丝绳连接板、拉伸弹簧、弹簧支座、限位开关和安装底板组成。所述电机安装在电机连接板上，通过联轴器驱动滚珠丝杠转动，实现钢丝绳连接板的直线运动；所述电机连接板通过内六角螺钉安装在安装底板上；所述滚珠丝杠安装在两个轴承座上；所述滚珠丝杠的另一端通过耦合器连上编码器，用于检测滚珠丝杠实际转动的角度；所述编码器固接在上述轴承座其中一个上；所述两个轴承座通过内六角螺钉安装在上述安装底板上；所述滚珠丝杠上的丝杠螺母固接在钢丝绳连接板中部；所述钢丝绳连接板两端固接有两个直线轴承；所述两个直线轴承分别套在位于上述滚珠丝杠两旁的两个平行导向轴上；所述两个导向轴安装在四个导向轴支座上；所述四个导向轴支座通过内六角螺钉安装在安装底板上；所述钢丝绳连接板两端偏中位置上还固接有两个弹簧支座用于连接两个拉伸弹簧一端；所述两个拉伸弹簧位于上述电机的两侧；所述两个拉伸弹簧的另一端连接在两个安装在上述安装底板的弹簧支座上；所述安装底板一个侧面安装有两个限位开关，用于确定钢丝绳连接板的初始位置和防止钢丝绳连接板做直线运动时超出移动范围。

所述控制系统在医护人员设定好需要的减质量后，工控机通过控制程序发出关于重心轨迹的指令信号，并经过运动控制卡输出电机控制量到电机驱动器中，电机驱动器控制电机实现吊带跟随患者重心运动；与此同时工控机通过串口发送指令实现跑步机的同步协调运动；工控机通过数据采集卡实时采集力传感器的信号，即实际的减重力，反馈到控制器中，通过与根据所需的减质量、重力加速度和重心加速度计算出的减重步行训练过程中各时刻所需的减重力进行比较，实现恒质量减重控制，并将当前的训练时间、重心轨迹、实际的减质量和减重力等信息显示在人机界面上。

所述控制系统采用基于位置跟随的力反馈闭环控制，其具体方式是：将减重步行训练时用到的参考重心轨迹输入到PD位置控制器中，控制器将角度信号和角速度信号转换成相对应的模拟电压信号发送给电机驱动器，再由电机驱动器控制电机的转动，实现下肢康复训练患者质量平衡器的减重效果，与此同时力传感器将实际的减重力反馈到工控机中，通过与需要的减重力进行比较，再由工控机发出关于角度信号和角速度信号的修正量，实现闭环控制。

一种下肢康复训练患者质量平衡方法，使得患者能够在恒定减质量的情况下进行减重步行训练，其特征在于具体操作步骤如下：

1）患者在医护人员的帮助下穿戴好吊带，在跑步机上就位；

2）医护人员长按电动绞车控制按钮，通过吊带逐渐将患者吊起，直至患者在跑步机上完全站立起来；

3）医护人员启动减重器的控制系统，根据患者的训练情况通过键盘输入控制参数：训练时间和减质量大小；

4）医护人员通过鼠标点击的初始化按钮，电动机根据设定好的减质量调节弹簧长度，钢丝绳连接板到达初始位置，紧接着电动绞车开始调节钢丝绳的长度，直至患者受到的减重力达到所设定减质量对应的初始减重力；

5）医护人员通过鼠标点击操作界面上的训练按钮，减重力产生机构和跑步机同时启动开始训练，直至训练时间结束，或医护人员按下停止按钮，训练结束。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明设计出的下肢康复训练患者质量平衡器是一种绳牵引式基于电机控制的主动减重系统，既可降低患者对跌倒的恐惧心理，有利于患者站立进行早期的减重步行训练，又可以根据需要实现减重力大小的实时可调，并能保证很高的精度和稳定性。本发明采用的是恒质量减重法，能同时减轻患者自身重量和行走过程中产生的动态载荷对患者下肢造成的负担，达到患者感觉是在除去了部分自身质量后接受步行训练的效果，能与正常行走过程中人体动力学模型保持一致，更加有利于患者正常生理步态的恢复。本发明中的控制系统采用的是基于位置跟随的力反馈闭环控制，既能保证吊带实时跟随患者重心运动，又能有效减小减重力误差，使得减质量在较小的误差内保持恒定，保证减重器达到预期减重效果。

附图说明

图1是下肢康复训练患者质量平衡器的结构图；

图2是减重力产生机构的结构图；

图3是控制系统硬件构成示意图；

图4是本发明的控制原理框图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1，本实施例中的下肢康复训练患者质量平衡器包括减重力产生机构（1）、钢丝绳（2）、定滑轮（3）、支架（4）、电动绞车（5）、动滑轮（6）、力传感器（7）（天沐 NS-WL1）、吊带（9）、跑步机（10）（乔山 PARAGON）和控制系统（参见图3）。

参见图2，减重力产生机构（1）由电机（11）（YASKAWA SGMJV08A）、电机连接板（12）、联轴器（13）、轴承座（14）、丝杠螺母（15）、滚珠丝杠（16）、安装底板（17）、耦合器（18）、编码器（19）、导向轴支座（20）、导向轴（21）、直线轴承（22）、限位开关（23）、钢丝绳连接板（24）、拉伸弹簧（25）和弹簧支座（26）组成。电机（11）安装在电机连接板（12）上，通过联轴器（13）驱动滚珠丝杠（16）转动，实现钢丝绳连接板（24）的直线运动；电机连接板（24）通过内六角螺钉安装在安装底板（17）上；滚珠丝杠（16）安装在两个轴承座（14）上；滚珠丝杠（16）的另一端通过耦合器（18）连上编码器（19），用于检测滚珠丝杠实际转动的角度；编码器（19）连接在轴承座（14）其中一个上；两个轴承座（14）通过内六角螺钉安装在安装底板（17）上；滚珠丝杠（16）上的丝杠螺母（15）连接在钢丝绳连接板（24）中部；钢丝绳连接板（24）两端固接有两个直线轴承（22）；两个直线轴承（22）分别套在位于滚珠丝杠（16）两旁的两个平行导向轴（21）上；两个导向轴（21）安装在四个导向轴支座（20）上；四个导向轴支座（20）通过内六角螺钉安装在安装底板（17）上；钢丝绳连接板（24）两端偏中位置上还固接有两个弹簧支座（26）用于连接两个拉伸弹簧（25）一端；两个拉伸弹簧（25）位于电机（11）的两侧；两个拉伸弹簧（25）的另一端连接在两个安装在安装底板（17）的弹簧支座（26）上；安装底板（17）一个侧面安装有两个限位开关（23），用于确定钢丝绳连接板的初始位置和防止钢丝绳连接板做直线运动时超出移动范围。

减重力产生机构（1）通过安装底板（17）安装在支架（4）顶部，通过钢丝绳连接器（24）与钢丝绳（2）的一端相连接；钢丝绳（2）的另一端通过两个定滑轮（3）和一个动滑轮（6）与电动绞车（5）相连接；两个定滑轮（3）和电动绞车（5）安装在支架（4）上；动滑轮（6）通过钢丝绳（2）与力传感器（7）一端相连接；力传感器（7）另一端通过钢丝绳（2）与吊带（9）相连接；吊带（9）可穿在患者（8）身上；跑步机（10）安装在支架（4）底部。

参见图3，本实施例中的控制系统在医护人员设定好需要的减质量后，工控机（32）（NuPRO-935A主板，Intel Core2双核E8400 CPU）通过控制程序发出关于重心轨迹的指令信号，并经过运动控制卡（31）（PCI-8158）输出电机控制量到电机驱动器（29）（YASKAWA SGDV5R5A01A）中，电机驱动器（29）控制电机（11）实现吊带跟随患者重心运动；与此同时工控机（32）通过串口（27）发送指令实现跑步机（10）的同步协调运动；工控机（32）通过数据采集卡（30）（DAQ-2204）实时采集力传感器（7）的信号，即实际的减重力，反馈到控制器中，通过与根据所需的减质量、重力加速度和重心加速度计算出的减重步行训练过程中各时刻所需的减重力进行比较，实现恒质量减重控制，并将当前的训练时间、重心轨迹、实际的减质量和减重力等信息显示在人机界面（33）上。

参见图4，本实施例控制系统采用基于位置跟随的力反馈闭环控制，其具体方式是：将减重步行训练时用到的参考重心轨迹输入到PD位置控制器中，控制器将角度信号和角速度信号转换成相对应的模拟电压信号发送给电机驱动器，再由电机驱动器控制电机的转动，实现下肢康复训练患者质量平衡器的减重效果，与此同时力传感器将实际的减重力反馈到工控机中，通过与需要的减重力进行比较，再由工控机发出关于角度信号和角速度信号的修正量，实现闭环控制。

实施例二：

本实施例中下肢康复训练患者质量平衡方法具体操作步骤如下：

1）患者（8）在医护人员的帮助下穿戴好吊带（9），在跑步机（10）上就位；

2）医护人员长按电动绞车（5）控制按钮，通过吊带（9）逐渐将患者吊起，直至患者在跑步机（10）上完全站立起来；

3）医护人员启动减重器的控制系统，根据患者的训练情况通过键盘输入控制参数：训练时间和减质量大小；

4）医护人员通过鼠标点击的初始化按钮，电动机根据设定好的减质量调节弹簧（25）长度，钢丝绳连接板（24）到达初始位置，紧接着电动绞车（5）开始调节钢丝绳（2）的长度，直至患者（8）受到的减重力达到所设定减质量对应的初始减重力；

5）医护人员通过鼠标点击操作界面上的训练按钮，减重力产生机构（1）和跑步机（10）同时启动开始训练，直至训练时间结束，或医护人员按下停止按钮，训练结束。

Claims (5)

1.一种下肢康复训练患者质量平衡器，包括减重力产生机构（1）、钢丝绳（2）、定滑轮（3）、支架（4）、电动绞车（5）、动滑轮（6）、力传感器（7）、吊带（9）、跑步机（10）和控制系统，其特征在于所述减重力产生机构（1）与钢丝绳（2）的一端相连接；钢丝绳（2）的另一端通过两个定滑轮（3）和一个动滑轮（6）与电动绞车（5）相连接；两个定滑轮（3）和电动绞车（5）安装在支架（4）上；动滑轮（6）通过钢丝绳（2）与力传感器（7）一端相连接；力传感器（7）另一端通过钢丝绳（2）与吊带（9）相连接；吊带（9）可穿在患者（8）身上；跑步机（10）安装在支架（4）底部。

2.根据权利要求1所述下肢康复训练患者质量平衡器，其特征在于所述减重力产生机构（1）由电机（11）、电机连接板（12）、联轴器（13）、轴承座（14）、丝杠螺母（15）、滚珠丝杠（16）、安装底板（17）、耦合器（18）、编码器（19）、导向轴支座（20）、导向轴（21）、直线轴承（22）、限位开关（23）、钢丝绳连接板（24）、拉伸弹簧（25）和弹簧支座（26）组成；所述电机（11）安装在电机连接板（12）上，通过联轴器（13）驱动滚珠丝杠（16）转动，实现钢丝绳连接板（24）的直线运动；所述电机连接板（12）通过内六角螺钉安装在安装底板（17）上；所述滚珠丝杠（16）安装在两个轴承座（14）上；所述滚珠丝杠（16）的另一端通过耦合器（18）连上编码器（19），用于检测滚珠丝杠实际转动的角度；所述编码器（19）连接在轴承座（14）其中一个上；所述两个轴承座（14）通过内六角螺钉安装在安装底板（17）上；所述滚珠丝杠（16）上的丝杠螺母（15）连接在钢丝绳连接板（24）中部；所述钢丝绳连接板（24）两端固接有两个直线轴承（22）；该两个直线轴承（22）分别套在位于滚珠丝杠（16）两旁的两个平行导向轴（21）上；该两个导向轴（21）安装在四个导向轴支座（20）上；所述四个导向轴支座（20）通过内六角螺钉安装在安装底板（17）上；钢丝绳连接板（24）两端偏中位置上还固接有两个弹簧支座（26）用于连接两个拉伸弹簧（25）一端；该两个拉伸弹簧（25）位于电机（11）的两侧；所述两个拉伸弹簧（25）的另一端连接在两个安装在安装底板（17）的弹簧支座（26）上；该安装底板（17）一个侧面安装有两个限位开关（23），用于确定钢丝绳连接板的初始位置和防止钢丝绳连接板做直线运动时超出移动范围。

3.根据权利要求1所述下肢康复训练患者质量平衡器，其特征在于所述控制系统在医护人员设定好需要的减质量后，工控机（32）通过控制程序发出关于重心轨迹的指令信号，并经过运动控制卡（31）输出电机控制量到电机驱动器（29）中，电机驱动器（29）控制电机（11）实现吊带跟随患者重心运动；与此同时工控机（32）通过串口（27）发送指令实现跑步机（10）的同步协调运动；工控机（32）通过数据采集卡（30）实时采集力传感器（7）的信号，即实际的减重力，反馈到控制器中，通过与根据所需的减质量、重力加速度和重心加速度计算出的减重步行训练过程中各时刻所需的减重力进行比较，实现恒质量减重控制，并将当前的训练时间、重心轨迹、实际的减质量和减重力等信息显示在人机界面（33）上。

4.根据权利要求3所述下肢康复训练患者质量平衡器，其特征在于所述控制系统采用基于位置跟随的力反馈闭环控制，其具体控制方式是：将减重步行训练时用到的参考重心轨迹输入到PD位置控制器中，控制器将角度信号和角速度信号转换成相对应的模拟电压信号发送给电机驱动器（29），再由电机驱动器（29）控制电机（11）的转动，实现下肢康复训练患者质量平衡器的减重效果，与此同时力传感器（7）将实际的减重力反馈到工控机（32）中，通过与需要的减重力进行比较，再由工控机（32）发出关于角度信号和角速度信号的修正量，实现闭环控制。

5.一种下肢康复训练患者质量平衡方法，采用根据权利要求1或4所述下肢康复训练患者质量平衡器进行平衡，其特征在于具体操作步骤如下：

1）患者（8）在医护人员的帮助下穿戴好吊带（9），在跑步机（10）上就位；

2）医护人员长按电动绞车（5）控制按钮，通过吊带（9）逐渐将患者吊起，直至患者在跑步机（10）上完全站立起来；

3）医护人员启动减重器的控制系统，根据患者的训练情况通过键盘输入控制参数：训练时间和减质量大小；

4）医护人员通过鼠标点击的初始化按钮，电动机根据设定好的减质量调节弹簧（25）长度，钢丝绳连接板（24）到达初始位置，紧接着电动绞车（5）开始调节钢丝绳（2）的长度，直至患者（8）受到的减重力达到所设定减质量对应的初始减重力；

5）医护人员通过鼠标点击操作界面上的训练按钮，减重力产生机构（1）和跑步机（10）同时启动开始训练，直至训练时间结束，或医护人员按下停止按钮，训练结束。

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