一種并聯(lián)腰部康復(fù)訓(xùn)練裝置動(dòng)態(tài)特性檢測裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及腰部康復(fù)訓(xùn)練檢測領(lǐng)域，具體是一種并聯(lián)腰部康復(fù)訓(xùn)練裝置動(dòng)態(tài)特性 檢測裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 社會(huì)老齡化和其它意外原因使得腰部運(yùn)動(dòng)障礙的病人日趨增加，而傳統(tǒng)的康復(fù)治 療主要依賴治療師的治療，其效率低、成本高，因此人們對腰部康復(fù)訓(xùn)練有了進(jìn)一步的要 求。目前，康復(fù)訓(xùn)練裝置一般通過柔索驅(qū)動(dòng)腰部進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，但其存在很多缺陷。并聯(lián)腰部康 復(fù)訓(xùn)練裝置能夠解決現(xiàn)有的康復(fù)訓(xùn)練裝置中利用柔索驅(qū)動(dòng)腰部進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)效果差、腰部轉(zhuǎn)動(dòng) 角度受限、難適應(yīng)較大角度的彎腰和擺動(dòng)、康復(fù)訓(xùn)練效率較低等問題。
[0003] 中國專利申請?zhí)?01410491844. 0公開了一種利用氣動(dòng)人工肌肉和繩索聯(lián)合作業(yè) 的六自由度并聯(lián)腰部康復(fù)訓(xùn)練裝置，從機(jī)械設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了腰部的康復(fù)訓(xùn)練。雖然并聯(lián)腰部 康復(fù)訓(xùn)練裝置在機(jī)械設(shè)計(jì)上使用了氣動(dòng)人工肌肉，一定程度上實(shí)現(xiàn)了對腰部的保護(hù)，但繩 索和氣動(dòng)人工肌肉在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程中仍存在一定的安全隱患。為了避免腰部的二次損傷， 對并聯(lián)腰部康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行腰部康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和監(jiān)控是必 要的，是提升系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的重要保障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種并聯(lián)腰部康復(fù)訓(xùn)練裝置動(dòng)態(tài)特性檢測裝置和方法，完成 對并聯(lián)腰部康復(fù)訓(xùn)練裝置在進(jìn)行腰部康復(fù)訓(xùn)練過程中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制和監(jiān)控，不僅有效地 達(dá)到了腰部康復(fù)訓(xùn)練的效果，還保證了系統(tǒng)的安全、可靠性。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種并聯(lián)腰部康復(fù)訓(xùn)練裝置動(dòng)態(tài)特性檢測裝置，其特征在于：包括鋁合金型材框 架，所述鋁合金型材框架包括水平的矩形頂框、四個(gè)豎向設(shè)置的支撐桿，四個(gè)支撐桿分別在 矩形頂框的頂角底部支撐矩形頂框，矩形頂框下方設(shè)置有水平安裝在四個(gè)支撐桿下部之間 的底板，底板上中心位置水平設(shè)置有站立平臺(tái)，站立平臺(tái)上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集卡、姿態(tài)角傳感 器，矩形頂框靠近頂角位置的相鄰框邊之間分別連接有斜支撐桿，每個(gè)斜支撐桿與矩形頂 框框邊夾角均相同，每個(gè)斜支撐桿上分別轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有定滑輪，所述底板上位于每個(gè)斜支撐 桿下方分別設(shè)置有由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的卷筒，卷筒的軸端安裝有編碼器，卷筒上纏繞有繩索， 所述繩索分別向上繞過對應(yīng)位置斜支撐桿上的定滑輪后再向下連接在站立平臺(tái)上，且每個(gè) 繩索上分別安裝有張力傳感器，底板上方相鄰支撐桿之間還分別連接有水平支撐桿，每個(gè) 水平支撐桿上中間位置分別豎向安裝有套有彈簧的氣動(dòng)人工肌肉，每個(gè)氣動(dòng)人工肌肉的進(jìn) 氣端口處分別安裝有壓力傳感器，每個(gè)氣動(dòng)人工肌肉的出氣端口處分別安裝有流量傳感 器，每個(gè)氣動(dòng)人工肌肉的上、下端口平面上分別安裝有彼此相對的激光測距傳感器，每個(gè)氣 動(dòng)人工肌肉頂端分別支撐有水平的滑動(dòng)副，四個(gè)滑動(dòng)副呈十字形伸向站立平臺(tái)上方，且四 個(gè)滑動(dòng)副伸向站立平臺(tái)上方的端頭處分別連接有腰帶；還包括工控機(jī)，站立平臺(tái)上的數(shù)據(jù) 采集卡通過數(shù)據(jù)傳輸線與工控機(jī)連接，所述姿態(tài)角傳感器、張力傳感器、壓力傳感器、流量 傳感器、激光測距傳感器分別通過數(shù)據(jù)傳輸線與數(shù)據(jù)采集卡連接，所述編碼器通過數(shù)據(jù)線 直接與工控機(jī)連接。
[0007]所述的一種并聯(lián)腰部康復(fù)訓(xùn)練裝置動(dòng)態(tài)特性檢測裝置，其特征在于：站立平臺(tái)上 的姿態(tài)角傳感器的X、Y慣性主軸分別與由繩索和站立平臺(tái)的連接點(diǎn)所形成的正方形的邊 相垂直，姿態(tài)角傳感器的Z慣性主軸垂直于站立平臺(tái)且豎直向上；在運(yùn)動(dòng)中，姿態(tài)角傳感器 實(shí)時(shí)檢測站立平臺(tái)的橫滾角a、俯仰角0和偏轉(zhuǎn)角Y，把相應(yīng)的角度信息通過數(shù)據(jù)傳輸線 傳輸給安裝在站立平臺(tái)上的數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡再通過數(shù)據(jù)傳輸線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た?機(jī)上，由工控機(jī)對其進(jìn)行分析，并對相應(yīng)的伺服電機(jī)進(jìn)行控制，從而帶動(dòng)繩索的伸縮，使得 站立平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中與腿部保持垂直，確保了站立平臺(tái)上腰部患者的安全。
[0008] 所述的一種并聯(lián)腰部康復(fù)訓(xùn)練裝置動(dòng)態(tài)特性檢測裝置，其特征在于：所述的張力 傳感器安裝在距繩索與站立平臺(tái)連接點(diǎn)的半米處，與繩索串聯(lián)；在運(yùn)動(dòng)中，張力傳感器實(shí)時(shí) 監(jiān)測繩索的張力，通過數(shù)據(jù)傳輸線傳輸給安裝在站立平臺(tái)上的數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡再 通過數(shù)據(jù)傳輸線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)上，由工控機(jī)對其進(jìn)行分析保存，得出各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)。
[0009] 所述的一種并聯(lián)腰部康復(fù)訓(xùn)練裝置動(dòng)態(tài)特性檢測裝置，其特征在于：所述的編碼 器與卷筒軸端相連接，其數(shù)據(jù)輸出端通過數(shù)據(jù)線直接與工控機(jī)相連接；在運(yùn)動(dòng)中，編碼器實(shí) 時(shí)檢測卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過數(shù)據(jù)傳輸線把相應(yīng)信息傳輸給工控機(jī)上，由工控機(jī)進(jìn)行分析， 得出繩索的伸縮量，并對伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制輸出。
[0010] 所述的一種并聯(lián)腰部康復(fù)訓(xùn)練裝置動(dòng)態(tài)特性檢測裝置，其特征在于：所述的壓力 傳感器和流量傳感器分別安裝在氣動(dòng)人工肌肉進(jìn)氣管和出氣管的端口處，激光測距傳感器 安裝在上下端口平面上；運(yùn)動(dòng)中，壓力傳感器和流量傳感器分別實(shí)時(shí)檢測進(jìn)氣回路中的進(jìn) 氣壓力和出氣回路中的出氣流量，激光測距傳感器實(shí)時(shí)檢測氣動(dòng)人工肌肉的長度，通過數(shù) 據(jù)傳輸線傳輸給安裝在站立平臺(tái)上的數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡再通過數(shù)據(jù)傳輸線把數(shù)據(jù)傳 輸?shù)焦た貦C(jī)上，工控機(jī)對其進(jìn)行分析，分別對氣動(dòng)人工肌肉進(jìn)氣回路中的壓力閥門和出氣 回路中的流量閥門開度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制。
[0011] 一種并聯(lián)腰部康復(fù)訓(xùn)練裝置動(dòng)態(tài)特性檢測方法，其特征在于：包括以下步驟：
[0012] (1)、工控機(jī)對各傳感器單元進(jìn)行初始化自檢；
[0013] (2)、人工向工控機(jī)輸入臨界閾值；
[0014] (3)、工控機(jī)控制四個(gè)電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)繩索伸縮，從而站立平臺(tái)帶動(dòng)腰部患者 上下移動(dòng)，使得腰帶與腰部相接觸，并達(dá)到合適的位置；
[0015] (4)、工控機(jī)控制各電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)繩索不同的伸縮，使得站立平臺(tái)帶動(dòng)腿部完成 相對腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練；同時(shí)，編碼器實(shí)時(shí)采集卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息、張力傳感器實(shí)時(shí)采 集繩索張力信息、姿態(tài)角傳感器實(shí)時(shí)采集站立平臺(tái)空間角度信息，并通過數(shù)據(jù)采集卡將信 息實(shí)時(shí)反饋到工控機(jī)上，工控機(jī)再對各信息進(jìn)行分析和記錄，進(jìn)而對各電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償控制 和繩索的安全判別，實(shí)現(xiàn)站立平臺(tái)按預(yù)定軌跡的轉(zhuǎn)動(dòng)和繩索的安全控制，保證了腰部的安 全；
[0016] (5)、工控機(jī)控制氣動(dòng)回路中閥門的開關(guān)，使得氣動(dòng)回路流通，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)人工肌肉 的驅(qū)動(dòng)，完成腰部彎曲康復(fù)訓(xùn)練；同時(shí)，壓力傳感器實(shí)時(shí)采集進(jìn)氣回路中氣體壓力信息、流 量傳感器實(shí)時(shí)采集出氣回路中氣體流量信息，激光測距傳感器實(shí)時(shí)采集氣動(dòng)人工肌肉的長 度信息，并通過數(shù)據(jù)采集卡將信息實(shí)時(shí)反饋到工控機(jī)上，工控機(jī)再對各信息進(jìn)行分析和記 錄，進(jìn)而控制氣動(dòng)回路中壓力閥門和流量閥門的開度，控制氣動(dòng)人工肌肉力的大小及其變 化，防止對腰部造成二次扭傷；
[0017] (6)、工控機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測各傳感器的工作狀態(tài)，判別各傳感器是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)工 作，是否需要報(bào)警，并做出相應(yīng)的警示動(dòng)作。
[0018] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果
[0019] 本發(fā)明使用了模塊化設(shè)計(jì)，具有安裝靈活、維護(hù)簡單、使用方便，具有如下優(yōu)勢：
[0020] 1)通過四個(gè)在同一圓周上均布的伺服電機(jī)帶動(dòng)繩索伸縮，從而使得站立平臺(tái)運(yùn) 動(dòng)，實(shí)現(xiàn)腰部轉(zhuǎn)動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練；同時(shí)，通過氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)腰部前屈、背伸、左右彎 腰的康復(fù)訓(xùn)練，有效地實(shí)現(xiàn)了腰部的康復(fù)訓(xùn)練過程。
[0021] 2)使用編碼器、張力傳感器、姿態(tài)角傳感器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)行繩索的反 饋補(bǔ)償控制，既保證了站立平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中與腿部的垂直，又保證了繩索在運(yùn)動(dòng)中始終處于 安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了站立平臺(tái)按預(yù)定的康復(fù)訓(xùn)練軌跡運(yùn)動(dòng)，保證了腰部在進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練 過程中系統(tǒng)的安全、可靠性。
[0022] 3)通過壓力傳感器、流量傳感器、激光測距傳感器實(shí)時(shí)采集氣動(dòng)回路中氣體的壓 力、流量和氣動(dòng)人工肌肉長度信息，實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測氣動(dòng)回路中的氣體運(yùn)動(dòng)，保證了氣動(dòng)人 工肌肉力的大小及其變化在安全范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對腰部受力大小及其變化的精確控制，有效 地完成了腰部前屈、背伸、左右彎腰的康復(fù)訓(xùn)練，同時(shí)