用于腰部康復訓練中的下肢自動調節平臺及訓練方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及醫療康復訓練器械領域，具體是用于腰部康復訓練中的下肢自動調節平臺及訓練方法。
【背景技術】
[0002]當今社會，由于突發疾病和意外事故導致腰部運動障礙的病人日趨增加，而傳統的康復治療主要依賴康復醫療師，其效率低、成本高，因此人們對腰部康復訓練有了進一步的要求。為了滿足社會的需求，發明人申請了一項專利(申請號201410491844.0)，公開了一種利用氣動人工肌肉驅動腰部彎腰康復訓練的六自由度并聯腰部康復訓練裝置；該裝置中由繩索驅動康復下肢調節平臺，使得平臺實現空間位姿的變化，實現患者雙腿相對于腰部彎曲、旋轉，達到腰部脊椎康復訓練的效果。盡管該申請的技術方案與設備結構有創新性的突破，但在臨床檢驗中，我們發現該專利申請(201410491844.0)中的康復訓練裝置在進行模擬人下肢運動方式的訓練時，存在著諸多問題:
首先，患者站立在站立平臺上，下肢與康復訓練裝置間沒有任何的支撐和聯接，導致了在康復訓練中，由于平臺的運動而帶動的下肢相對腰部的運動不平穩、柔順性很差，易給患者帶來二次損傷；
其次，下肢的運動是由電機驅動柔索帶動站立平臺進行的，由于電機存在轉動誤差、柔索存在伸縮變形等因素，導致站立平臺無法實現預先設定的空間位姿，影響著康復訓練效果;
最后，康復訓練中，站立平臺帶動雙腿在空間運動，使得雙腿相對髖關節運動，實現腰部脊椎的康復訓練，但是，在運動中患者大小腿可能會彎曲，因此，需要輔助完成患者腿部彎曲更好達到腰部康復訓練效果；為此，有必要對該申請的機械結構進一步改進。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種用于腰部康復訓練中的下肢自動調節平臺及訓練方法，以解決腰部康復訓練裝置中存在的下肢聯接問題。
[0004]為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為:
用于腰部康復訓練中的下肢自動調節平臺，包括一個鋁合金型材框架100。所述鋁合金型材框架100為矩形的框架體。鋁合金型材框架100固定在地基上。此外:
在招合金型材框架100內還設有下肢自動調節平臺單元300、站立平臺400、電機單元500、柔索600、和滑輪單元700。
[0005]在鋁合金型材框架100的頂部設有4個滑輪單元700。在每個滑輪單元700下方設有I個電機單元500。每個電機單元500的卷同軸均與一根柔索600相連。每根柔索600均繞過滑輪單元700后與站立平臺400相連。即通過滑輪單元700實現柔索600的變向，通過電機單元500實現柔索600長度的變化，從而實現與之相連的站立平臺400空間位姿的變化，進而調整患者站立與活動時的姿態。
[0006]在站立平臺400上設有下肢自動調節平臺單元300。所述下肢自動調節平臺單元300與患者的腿部活動連接，約束、支撐、并調節患者的直立時的腿部姿態與腰部活動時的腿部姿態。即通過下肢自動調節平臺單元300的支撐、約束與調節，使患者的腿部在下肢自動調節平臺單元300的工作范圍內做彎曲或伸直運動。
[0007]即通過站立平臺400、下肢自動調節平臺單元300的聯合運動，共同調節站在站立平臺400上的患者的腰部挺直時的腿部姿態、以及腰部做彎曲活動時的腿部姿態。
[0008]采用本發明所述用于腰部康復訓練中的下肢自動調節平臺的訓練方法，按如下步驟進行:
步驟一:令工控機、電機單元500內的各電機上電，令壓力傳感器801、激光測距傳感器802和編碼器803反饋信號，令大腿氣動人工肌肉316、小腿部氣動人工肌肉310、轉動關節氣動人工肌肉311、小腿部彈簧307、轉動關節彈簧312、大腿部彈簧317復位。
[0009]步驟二:向工控機上輸入患者大小腿長度信息。向工控機上輸入預設的空間位姿、以及允許的誤差范圍。所述預設的空間位姿為需要患者在腰部康復訓練的裝置上執行的康復動作信息姿。
[0010]步驟三:令患者站立在站立平臺400上。由工控機根據步驟二輸入的患者腿部信息，首先控制小腿氣動人工肌肉310充氣或放氣，調整小腿模塊的長度，由小腿模塊內的激光測距傳感器802實時檢測小腿部彈簧307長度值，并將該數據傳輸給工控機進行計算和判斷，直至轉動關節306與患者膝關節齊平。
[0011]然后，由工控機控制大腿氣動人工肌肉316充氣或放氣，調整大腿模塊的長度，同時由大腿模塊內的激光測距傳感器802實時檢測大腿部彈簧317長度，并將該數據傳輸給工控機進行計算和判斷，使得髖關節彈性綁帶301位于患者的髖關節部位。
[0012]步驟四:將大腿模塊內的腿部彈性綁帶303、小腿模塊內的腿部彈性綁帶303分別綁在患者的大腿、小腿上，將髖關節彈性綁帶301綁在患者髖關節上，準備進行康復運動。
[0013]步驟五:由工控機控制電機單元500內的電機旋轉，使得柔索600伸縮，實現站立平臺400的運動。由工控機根據站立平臺400的空間位姿，實時控制2個轉動關節氣動人工肌肉311進氣閥門和出氣閥門的開關、控制小腿關節的轉動，進而帶動站立平臺400運動。同時，工控機根據編碼器803實時反饋的小腿模塊的轉動角度，對轉動關節306的轉動進行角度補償，使得患者站立在站立平臺400上的位姿符合步驟二輸入的預設的空間位姿相一致。
[0014]步驟六:通過壓力傳感器801和視覺傳感器分別實時監測大腿氣動人工肌肉316的實時壓力信息、小腿部氣動人工肌肉310的實時壓力信息、轉動關節氣動人工肌肉311的實時壓力信息和站立平臺400的實時空間位姿信息，并通過數據采集卡將前述的實時壓力信息和實時空間位姿信息傳送給工控機，如果超出在步驟二設置的允許的誤差范圍，則立即停止康復訓練，并報警提示進行設備檢查，避免患者在進行康復訓練時出現意外。
[0015]步驟七:康復訓練完成，人工解除腿部彈性綁帶303和髖關節彈性綁帶301，令患者走下站立平臺400。
[0016]步驟八:令下肢自動調節平臺300復位，關閉電機單元400、氣動人工肌肉和工控機電源。
[0017]本發明的有益技術效果: 1.本發明裝置模擬人腿部結構，設計了一種基于氣動人工肌肉和彈簧的下肢運動裝置，使得患者下肢與腰部訓練裝置聯接為一體，起到了固定支撐患者下肢的作用。
[0018]2.本發明裝置中的大小腿模塊使用了氣動人工肌肉與彈簧串聯，可由氣動人工肌肉驅動柔索壓縮彈簧來降低裝置的高度，也可由彈簧彈力驅動來升高裝置的高度，同時使用了激光測距傳感器實時監測彈簧高度的變化，不僅可以根據患者腿部信息自動調節大小腿裝置的高度，在康復訓練中，還具有很好的柔順性，起到了減震、緩沖作用，有效地保護了腰部，防止了二次損傷。
[0019]3.本發明裝置使用了氣動人工肌肉與彈簧并聯驅動、同步帶與帶輪嚙合傳動來驅動關節轉動，氣動人工肌肉充氣收縮拉伸彈簧帶動帶輪的旋轉，從而使得膝關節轉動，并且在彈簧彈力作用下可使得帶輪反向旋轉，膝關節反向轉動，同時在轉動軸上安裝了編碼器，檢測轉動的角度，在康復訓練過程中，可以保證膝關節精確地轉動，輔助站立平臺達到預設空間位姿的變化，更精準的實現了患者腿部相對于腰部的彎曲，使得腰部達到更好的康復訓練效果。
[0020]4.本發明裝置中的下肢自動調節平臺使用了仿生學設計，不僅可以用作腰部訓練裝置的下肢支撐調節裝置，還可以用于醫療康復中的下肢康復訓練，具有很好的擴展性。
[0021]本發明在結構上的優點還體現在如下:
本發明所述的鋁合金型材框架100是由多根鋁合金型材和平板搭建而成，用來固定支撐各單元，完成康復訓練過程。所述的腰帶單元200中的四個分別固定在鋁合金型材框架100前后左右位置上的氣動人工肌肉，提供軸向驅動力，通過與之相連接的聯接裝置作用于患者腰部，而腰帶單元200中的彈簧用來平衡聯接裝置的重力。整體結構簡單、牢固，工作狀態穩定可靠。
[0022]本發明中的4個電機單元500由電機和與其輸出軸相連的卷筒組成，且均布固定安裝在鋁合金型材框架100中的平板上。所述的滑輪單元700中的滑輪底端安裝軸與交叉圓錐滾子軸承內圈過盈配合，交叉圓錐滾子軸承外圈通過支架固定安裝在鋁合金型材框架100頂部，使得滑輪可以自由轉動。動力輸出方式簡潔、高效。
[0023]所述的下肢自動調節單元300中的輔助腿部運動的調節裝置由小腿模塊、大腿模塊組成。小腿支架309底部安裝在站立平臺400上，其頂端伸出部分為插槽孔，而轉動關節306的底端伸出部分為插板，可以自由插入插槽孔。大腿支架304的頂端伸出部分為插槽孔，而髖關節彈性綁帶支架319的底端伸出部分為插板，可以自由插入插槽孔。在大腿支架304的底部側壁上分別開有兩個孔，用來安裝軸承305。轉動軸315安裝在軸承305內圈上，通過平鍵320與轉動關節306相聯接，并且其伸出端與同步帶輪314通過過盈配合聯接。三者連接緊湊、長度可調節，能夠滿足不同腿形長度患者的康復治療。
[0024]所述的腰帶單元200不僅能夠輔助患者達到彎腰康復訓練的效果，還能起到固定支撐患者上軀干的作用，使得患者上軀干保持平衡。
[0025]本發明通過電機單元500帶動柔索600伸縮，從而帶動站立平臺400的運動。四根柔索600長度的變化可實現站立平臺400在空間中位姿的變化。
[0026]本發明中的髖關節彈性綁帶301固定綁在患者髖關節部位，腿部彈性綁帶303固定綁在患者大小腿上，起到固定支撐患者下肢的作用，同時不限制患者下肢運動的自由度。
[0027]本發明能夠自檢并糾正站立平臺400實際的空間位姿與預設的空間位姿存在誤差，使得患者腿部達到預設的位置，更精準的實現了患者腿部相對于髖關節的彎曲