專利名稱：多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于康復(fù)訓(xùn)練器材領(lǐng)域，特別的涉及以機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣控制結(jié)合的多功能熱磁肢體康復(fù)器材。
背景技術(shù)：
肢體康復(fù)器材的使用越來越普遍，給康復(fù)病人恢復(fù)肢體肌力提供了重要的幫助?，F(xiàn)有的肢體康復(fù)器材多種多樣，或者具有主動訓(xùn)練模式、被動訓(xùn)練模式和痙攣肌緩解多種訓(xùn)練模式，或者具有單獨(dú)上肢訓(xùn)練、單獨(dú)下肢訓(xùn)練和上下肢組合訓(xùn)練功能。但是上述功能都未能集成起來，對于康復(fù)器材使用者帶來不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明根據(jù)仿真結(jié)果和功能要求提供一種具有單獨(dú)上肢訓(xùn)練、單獨(dú)下肢訓(xùn)練和上下肢組合訓(xùn)練功能的智能型多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器。根據(jù)系統(tǒng)的主動訓(xùn)練模式、被動訓(xùn)練模式和痙攣肌緩解模式的功能要求,建立不同的數(shù)學(xué)模型。為了使系統(tǒng)在主動模式時能夠設(shè)定恒定阻力，將電機(jī)回路設(shè)計成一個電流可控的恒流回路；為了使系統(tǒng)在被動模式時能夠設(shè)定恒定的轉(zhuǎn)速，被動模式采用閉環(huán)調(diào)速控制，保證在運(yùn)動過程中速度的穩(wěn)定；為了檢測肌肉痙攣，要求系統(tǒng)對電流的檢測有較高的靈敏度，本訓(xùn)練儀采用檢測電機(jī)電流的大小間接判斷是否肌肉產(chǎn)生痙攣，對于上下肢體由于肌肉痙攣產(chǎn)生的力不同，上下肢采用不同電流界限值進(jìn)行判斷。控制系統(tǒng)的設(shè)計主要分為硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩部分。硬件設(shè)計包括主控制器、電機(jī)控制器和電源三個部分，電機(jī)控制器部分是本設(shè)計的重點(diǎn)，包括可控電流環(huán)路電路和閉環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路。軟件設(shè)計包括主控制器和電機(jī)控制器兩個部分，主控制器部分實(shí)現(xiàn)對各種外設(shè)的通信與控制功能，如驅(qū)動人機(jī)接口電路、驅(qū)動時鐘電路和完成串行通訊協(xié)議等；電機(jī)控制器部分是本項(xiàng)目軟件設(shè)計的難點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)對電機(jī)驅(qū)動、信號采集和各種控制算法的實(shí)現(xiàn)。具體技術(shù)方案如下—種多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器，包括機(jī)械部分和電氣控制部分，上述機(jī)械部分包括機(jī)架、安裝在機(jī)架上的電機(jī)、變速箱和踏板，上述電氣控制部分采用二級CPU結(jié)構(gòu)，包括通過RS232通信連接起來的主控制器和電機(jī)控制器，上述主控制器連接有實(shí)時時鐘芯片、語音芯片、鍵盤信息接入口和液晶顯示接口，上述電機(jī)控制器連接有電機(jī)驅(qū)動電路、電流信號采集、調(diào)理電路、編碼器電路、錯誤檢測及輸出保護(hù)電路。上述機(jī)械部分電機(jī)采用有刷電機(jī)，功率為100W ;上述踏板上設(shè)有脈動磁場發(fā)生器及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。上述機(jī)械部分還設(shè)有軸承與搖臂，上述踏板軸承安裝在搖臂上，搖臂通過換向齒輪與變速箱的輸入端連接，上述換向齒輪采用一對傘齒輪，齒輪參數(shù)為模數(shù)1，齒數(shù)比2 :1，齒數(shù)23 28。
上述電氣控制部分的主控制器、電機(jī)控制器都設(shè)有USART接口和JTAG接口，上述USART接口為雙機(jī)通信接口。當(dāng)康復(fù)訓(xùn)練器處于主動模式時，電流給定模塊電路、ι/v轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路和電機(jī)控制器形成一個閉環(huán)控制的電流可控回路，上述電路給定模塊電路由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路和負(fù)載組成；當(dāng)康復(fù)訓(xùn)練器處于被動模式時，Ι/v轉(zhuǎn)換電路、電流信號調(diào)理電路和電機(jī)控制器形成電流反饋電路。本發(fā)明多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)上肢訓(xùn)練、單獨(dú)下肢訓(xùn)練和上下肢組合訓(xùn)練功能，并且每種訓(xùn)練功能均具有主動模式、被動模式和肌肉痙攣模式選擇，三種訓(xùn)練模式集中在一個訓(xùn)練儀上，在一個訓(xùn)練儀上實(shí)現(xiàn)三種訓(xùn)練功能。同時具備了大范圍脈動磁場、大范圍遠(yuǎn)紅外線、光熱的可調(diào)節(jié)系統(tǒng)，最大限度的幫助患者進(jìn)行肢體康復(fù)。



圖I為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明系統(tǒng)控制電路原理框圖。圖3為圖2中主控制器部分示意框圖。圖4為圖2中電機(jī)控制器部分示意框圖。圖5為本發(fā)明處于主動訓(xùn)練模式時電機(jī)控制器部分示意框圖。
具體實(shí)施例方式見圖1，本發(fā)明多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器的總體結(jié)構(gòu)包括機(jī)械部分和電氣控制部分，機(jī)械部分主要由機(jī)架、換向傘齒輪、變速箱、軸承和踏板等組成，電氣控制部分劃分為兩級結(jié)構(gòu)，主要包括電機(jī)、主控制器、電機(jī)控制器和電源四部分。同時在踏板上安裝大范圍脈動磁場發(fā)生器、大范圍遠(yuǎn)紅外線、光熱的可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器是通過自身的機(jī)械運(yùn)動為患者提供動力或者阻力，使患者進(jìn)行鍛煉的儀器。為了使患者做類似于行走的鍛煉，本設(shè)計的機(jī)械結(jié)構(gòu)為極坐標(biāo)式，極坐標(biāo)式機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析簡單，控制較容易，系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個部分(I)換向齒輪由于電機(jī)輸出軸安裝位置與搖臂軸垂直，必須將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行90度換向，本設(shè)計采用一對傘齒輪，齒輪參數(shù)為模數(shù)為1，齒數(shù)比為2:1,最小齒輪齒數(shù)為25。⑵變速箱直流電動機(jī)是高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動部件，根據(jù)電機(jī)的物理特性，在電壓為常數(shù)的情況下，其轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的增加而減小。在低轉(zhuǎn)速條件下，配合齒輪箱使用比直接降低轉(zhuǎn)速更有利?？祻?fù)儀的搖臂需要較慢的旋轉(zhuǎn)速度及較大的轉(zhuǎn)矩，因此，電機(jī)的輸出軸要經(jīng)過齒輪減速箱進(jìn)行減速才能滿足所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求，本項(xiàng)目選用減速比為33 1的減速箱。(3)軸承與搖臂機(jī)械部分的搖臂的長度約為120mm，在搖臂的支撐點(diǎn)處采用滑動軸承固定，因?yàn)榛瑒虞S承工作平穩(wěn)、可靠、無噪聲。在液體潤滑條件下，滑動表面被潤滑油分開而不發(fā)生直接接觸，可以大大減小旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械損耗。⑷機(jī)架
主要用于整機(jī)的固定，作為驅(qū)動的電機(jī)安裝在機(jī)架縱向軸上，電源安裝在機(jī)架的底部，這樣機(jī)架就可以承擔(dān)大部分重量，使得結(jié)構(gòu)緊湊。多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器一般是在病房或者室內(nèi)使用，環(huán)境比較安靜，其各種指標(biāo)必須控制在一定的范圍電機(jī)溫升小于60度，電機(jī)噪聲小于45dB。本發(fā)明采用有刷直流電機(jī)通過連續(xù)可調(diào)電壓實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的制造成本比有刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)要高，控制器在使用中容易發(fā)生故障。肢體康復(fù)儀在功能上要求電機(jī)既作發(fā)電機(jī)又作電動機(jī)使用，根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練儀的功能特點(diǎn)故選用有刷電機(jī)，功率在100W左右，電壓24VDC。見圖2，本發(fā)明電氣控制部分采用二級CPU結(jié)構(gòu)，集中控制方式。一級CPU為主控制器，擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理和人機(jī)接口等功能的實(shí)現(xiàn)，充分利用微處理器的資源，為用戶提供美觀實(shí)用的人機(jī)接口和完善的系統(tǒng)管理功能；為使系統(tǒng)獲得良好的控制性能，減少系統(tǒng)管理與 人機(jī)接口等慢速設(shè)備的影響，二級CPU為電機(jī)控制器，僅完成對電機(jī)的數(shù)字控制，從而得到較理想的控制效果；系統(tǒng)的兩級CPU之間通過通信接口連接。見圖3，上述主控制器模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理和人機(jī)接口功能，包括控制實(shí)時時鐘芯片、讀取鍵盤的輸入信息、通過液晶顯示和語音提示的方式來表達(dá)相應(yīng)的信息、對電機(jī)控制器發(fā)出控制指令和其它的輔助功能。為了實(shí)現(xiàn)主控制器對電機(jī)控制器的控制作用，將兩個控制器通過USART接口連接起來。主控制器從鍵盤獲取患者所需進(jìn)行訓(xùn)練的參數(shù)，通過RS232通信接口將數(shù)據(jù)以一定的協(xié)議傳送給電機(jī)控制器，使得電機(jī)控制器根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等信息進(jìn)行工作。由于康復(fù)儀要求有時間設(shè)定功能，因此，主控制器外設(shè)實(shí)時時鐘芯片，既用來計算和設(shè)定患者的訓(xùn)練時間的計時開始和結(jié)束，又作為日歷顯示當(dāng)前時間。JTAG接口是用來對控制器進(jìn)行程序下載和在線調(diào)試的。見圖4所示，上述電機(jī)控制器的作用是實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制功能和錯誤檢測功能，其外圍電路的設(shè)計主要是為了滿足主動模式、被動模式和痙攣肌緩解模式的要求而設(shè)計的可控電流環(huán)流電路和雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路。電機(jī)控制器以串口作為輸入接口，按照主控制器的指令，完成對直流電機(jī)的起動、停車、調(diào)速、反向、故障檢測和故障保護(hù)等功能。電機(jī)控制器的設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)及難點(diǎn)。根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練儀所要實(shí)現(xiàn)的功能，將電機(jī)控制器模塊劃分為單個功能的二級模塊，主要由微控制器、電機(jī)驅(qū)動電路、電流信號采集和信號調(diào)理模塊、編碼器電路、錯誤檢測及輸出保護(hù)電路、USART接口模塊、JTAG接口模塊和電源模塊等模塊組成。見圖5，當(dāng)康復(fù)訓(xùn)練儀工作于主動模式時，電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，為了使電機(jī)的力矩平衡，并將電流數(shù)據(jù)返回給控制器，本設(shè)計將電流給定模塊電路、Ι/v轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路和微控制器形成一個閉環(huán)控制的電流可控回路，由于主動模式運(yùn)動時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為變量，因而電機(jī)控制回路中的電流也會隨之變化，要產(chǎn)生恒定的力矩，不但要求回路電流可控，而且要求系統(tǒng)有較好的動態(tài)相應(yīng)能力。當(dāng)康復(fù)訓(xùn)練儀工作于被動或者痙攣肌緩解模式時，電機(jī)工作于電動機(jī)狀態(tài)，為了滿足起動、停止和恒速運(yùn)行等性能的要求，將系統(tǒng)設(shè)計為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，其中轉(zhuǎn)速反饋通路由光電編碼器電路與微控制器來實(shí)現(xiàn)，電流反饋電路由Ι/v轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路和微控制器組成。系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)的精度和穩(wěn)定性往往決定整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，因此，對于電流檢測電路的設(shè)計和轉(zhuǎn)速檢測電路的設(shè)計，要求精度、準(zhǔn)確性和可靠性均比較好。USART接口為雙機(jī)通信接口，JTAG接口用來對控制器進(jìn)行程序下載和在線調(diào)試，錯誤檢測及輸出保護(hù)電路用來檢測系統(tǒng)故障并對故障進(jìn)行提示和保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)處于主動訓(xùn)練模式時，為使流過電機(jī)的電流能夠準(zhǔn)確的被控制，系統(tǒng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)電路的輸出作為功率放大電路的輸入，控制功率放大電路的電流輸出值，并根據(jù)采樣電阻得到的采樣電流值對DAC的給定值進(jìn)行進(jìn)一步的修正，圖5中DAC、功率放大電路和負(fù)載電路三個模塊組成圖4中的電流給定模塊。本發(fā)明使用時具有多種模式(I)主動訓(xùn)練，設(shè)定訓(xùn)練阻力，阻力設(shè)定范圍在5 20牛頓。患者可以利用自身具有的肌力克服系統(tǒng)提供的阻力進(jìn)行主動訓(xùn)練，患者可以設(shè)定阻力的大小，相對于患者自行鍛煉能更好的掌握訓(xùn)練量，統(tǒng)計每次訓(xùn)練的速度、力量、以及累積運(yùn)動的時間和里程等。(2)被動訓(xùn)練，a設(shè)定訓(xùn)練時間范圍在2 120分鐘之間；b選擇運(yùn)動方向訓(xùn)練過程中可以隨時改變運(yùn)動方向(向前或向后)，可以設(shè)定向前、向后循環(huán)運(yùn)動；c設(shè)定訓(xùn)練速度速度設(shè)定范圍在2 60轉(zhuǎn)/分；d數(shù)據(jù)顯示顯示運(yùn)動中的里程、已運(yùn)動的時間和當(dāng)前的速度大小。由肢體康復(fù)訓(xùn)練儀帶動患者的上、下肢進(jìn)行運(yùn)動，患者可以自行設(shè)定運(yùn)動速度和里程，且訓(xùn)練時每隔4分鐘自動變換運(yùn)動方向，換向時間可以根據(jù)自身訓(xùn)練情況進(jìn)行設(shè)定。(3)痙攣肌緩解，a設(shè)定訓(xùn)練時間范圍在2 120分鐘之間；b選擇運(yùn)動方向訓(xùn)練過程中可以隨時改變運(yùn)動方向(向前或向后)，可以設(shè)定向前、向后循環(huán)運(yùn)動；(設(shè)定訓(xùn)練速度速度設(shè)定范圍在2 60轉(zhuǎn)/分；d痙攣肌緩解當(dāng)肌肉痙攣出現(xiàn)時，智能電機(jī)會馬上判斷并立即終止驅(qū)動，5秒鐘后電機(jī)以5轉(zhuǎn)/分鐘進(jìn)行平滑驅(qū)動^數(shù)據(jù)統(tǒng)計及顯示顯示運(yùn)動中的里程、已運(yùn)動的時間、當(dāng)前的速度大小和痙攣狀態(tài)；統(tǒng)計發(fā)生痙攣次數(shù)、運(yùn)動總里程和總運(yùn)動時間。當(dāng)肌肉痙攣出現(xiàn)時，儀器應(yīng)馬上判斷并立即終止驅(qū)動，5秒鐘后電機(jī)以5rpm進(jìn)行平滑驅(qū)動，對于會出現(xiàn)屈肌痙攣的患者，儀器應(yīng)自動改變驅(qū)動方向，通過倒轉(zhuǎn)的驅(qū)動方向讓痙攣的肢體得到伸展，從而減輕或緩解痙攣癥狀，統(tǒng)計每次訓(xùn)練的速度、力量、痙攣次數(shù)以及累積運(yùn)動的時間和里程和等。(4)熱磁振治療熱磁振治療是以交變磁場為主要技術(shù)，同時結(jié)合振動按摩、溫?zé)岑煼▋煞N技術(shù)的前沿技術(shù)物理治療。振子線圈接通50Hz交流電后，一方面產(chǎn)生交變磁場，并與磁袋的恒定磁場相互作用，產(chǎn)生特有的非機(jī)械振動；另一方面，線圈中鐵芯因渦流而產(chǎn)生熱，這樣就產(chǎn)生了本儀器治療所需的三種物理治療因子。治療振子不僅能夠?qū)⑦@三種物理治療因子作用于皮膚表面，而且可以滲透到皮下組織深處，針對經(jīng)絡(luò)穴位進(jìn)行按摩刺激，滲透力強(qiáng)，可以放松肌肉、解除疲勞、調(diào)節(jié)人體機(jī)能，具有提高人體免疫能力、疏通經(jīng)絡(luò)、平衡陰陽、的功效。并能使其治療效果持續(xù)治療后很久；同時，特有的振動可伴有舒適的按摩感，使患者在舒服的情況下接受治療。振動起到按摩作用，溫度能起到熱療效果，振動和溫度作用可增強(qiáng)交變磁場的滲透深度而使其治療效果更明顯。
應(yīng)當(dāng)理解，以上所描述的具體實(shí)施方式
僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。 由本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器,包括機(jī)械部分和電氣控制部分，上述機(jī)械部分包括機(jī)架、安裝在機(jī)架上的電機(jī)、變速箱和踏板，其特征在于上述電氣控制部分采用二級CPU結(jié)構(gòu)，包括通過RS232通信連接起來的主控制器和電機(jī)控制器，上述主控制器連接有實(shí)時時鐘芯片、語音芯片、鍵盤信息接入口和液晶顯示接口，上述電機(jī)控制器連接有電機(jī)驅(qū)動電路、電流信號調(diào)理電路及ΙΛ轉(zhuǎn)換電路、編碼器電路、錯誤檢測及輸出保護(hù)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器，其特征在于上述機(jī)械部分電機(jī)采用有刷電機(jī)，功率為IOOW ;上述踏板上設(shè)有脈動磁場發(fā)生器及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器，其特征在于上述機(jī)械部分還 設(shè)有軸承與搖臂，上述踏板軸承安裝在搖臂上，搖臂通過換向齒輪與變速箱的輸入端連接，上述換向齒輪采用一對傘齒輪，齒輪參數(shù)為模數(shù)1，齒數(shù)比2 :1，齒數(shù)23 28。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器，其特征在于上述電氣控制部分的主控制器、電機(jī)控制器都設(shè)有USART接口和JTAG接口，上述USART接口為雙機(jī)通信接□。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器，其特征在于當(dāng)康復(fù)訓(xùn)練器處于主動模式時，電流給定模塊電路、Ι/v轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路和電機(jī)控制器形成一個閉環(huán)控制的電流可控回路，上述電路給定模塊電路由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路和負(fù)載組成；當(dāng)康復(fù)訓(xùn)練器處于被動模式時，Ι/v轉(zhuǎn)換電路、電流信號調(diào)理電路和電機(jī)控制器形成電流反饋電路。
全文摘要
本發(fā)明屬于康復(fù)訓(xùn)練器材領(lǐng)域，特別的涉及以機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣控制結(jié)合的多功能熱磁肢體康復(fù)器材。目的是提供一種具有單獨(dú)上肢訓(xùn)練、單獨(dú)下肢訓(xùn)練和上下肢組合訓(xùn)練功能的智能型多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器。一種多功能熱磁肢體康復(fù)訓(xùn)練器，包括機(jī)械部分和電氣控制部分，上述機(jī)械部分包括機(jī)架、安裝在機(jī)架上的電機(jī)、變速箱和踏板，上述電氣控制部分采用二級CPU結(jié)構(gòu)，包括通過RS232通信連接起來的主控制器和電機(jī)控制器，上述主控制器連接有實(shí)時時鐘芯片、語音芯片、鍵盤信息接入口和液晶顯示接口，上述電機(jī)控制器連接有電機(jī)驅(qū)動電路、電流信號采集、調(diào)理電路、編碼器電路、錯誤檢測及輸出保護(hù)電路。
文檔編號A63B23/12GK102973389SQ20121055999
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者左仁良 申請人:常州志程電子有限公司