用于腰部康复训练中的下肢自动调节平台及训练方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及医疗康复训练器械领域，具体是用于腰部康复训练中的下肢自动调节平台及训练方法。
【背景技术】
[0002]当今社会，由于突发疾病和意外事故导致腰部运动障碍的病人日趋增加，而传统的康复治疗主要依赖康复医疗师，其效率低、成本高，因此人们对腰部康复训练有了进一步的要求。为了满足社会的需求，发明人申请了一项专利(申请号201410491844.0)，公开了一种利用气动人工肌肉驱动腰部弯腰康复训练的六自由度并联腰部康复训练装置；该装置中由绳索驱动康复下肢调节平台，使得平台实现空间位姿的变化，实现患者双腿相对于腰部弯曲、旋转，达到腰部脊椎康复训练的效果。尽管该申请的技术方案与设备结构有创新性的突破，但在临床检验中，我们发现该专利申请(201410491844.0)中的康复训练装置在进行模拟人下肢运动方式的训练时，存在着诸多问题:
首先，患者站立在站立平台上，下肢与康复训练装置间没有任何的支撑和联接，导致了在康复训练中，由于平台的运动而带动的下肢相对腰部的运动不平稳、柔顺性很差，易给患者带来二次损伤；
其次，下肢的运动是由电机驱动柔索带动站立平台进行的，由于电机存在转动误差、柔索存在伸缩变形等因素，导致站立平台无法实现预先设定的空间位姿，影响着康复训练效果;
最后，康复训练中，站立平台带动双腿在空间运动，使得双腿相对髋关节运动，实现腰部脊椎的康复训练，但是，在运动中患者大小腿可能会弯曲，因此，需要辅助完成患者腿部弯曲更好达到腰部康复训练效果；为此，有必要对该申请的机械结构进一步改进。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种用于腰部康复训练中的下肢自动调节平台及训练方法，以解决腰部康复训练装置中存在的下肢联接问题。
[0004]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
用于腰部康复训练中的下肢自动调节平台，包括一个铝合金型材框架100。所述铝合金型材框架100为矩形的框架体。铝合金型材框架100固定在地基上。此外:
在招合金型材框架100内还设有下肢自动调节平台单元300、站立平台400、电机单元500、柔索600、和滑轮单元700。
[0005]在铝合金型材框架100的顶部设有4个滑轮单元700。在每个滑轮单元700下方设有I个电机单元500。每个电机单元500的卷同轴均与一根柔索600相连。每根柔索600均绕过滑轮单元700后与站立平台400相连。即通过滑轮单元700实现柔索600的变向，通过电机单元500实现柔索600长度的变化，从而实现与之相连的站立平台400空间位姿的变化，进而调整患者站立与活动时的姿态。
[0006]在站立平台400上设有下肢自动调节平台单元300。所述下肢自动调节平台单元300与患者的腿部活动连接，约束、支撑、并调节患者的直立时的腿部姿态与腰部活动时的腿部姿态。即通过下肢自动调节平台单元300的支撑、约束与调节，使患者的腿部在下肢自动调节平台单元300的工作范围内做弯曲或伸直运动。
[0007]即通过站立平台400、下肢自动调节平台单元300的联合运动，共同调节站在站立平台400上的患者的腰部挺直时的腿部姿态、以及腰部做弯曲活动时的腿部姿态。
[0008]采用本发明所述用于腰部康复训练中的下肢自动调节平台的训练方法，按如下步骤进行:
步骤一:令工控机、电机单元500内的各电机上电，令压力传感器801、激光测距传感器802和编码器803反馈信号，令大腿气动人工肌肉316、小腿部气动人工肌肉310、转动关节气动人工肌肉311、小腿部弹簧307、转动关节弹簧312、大腿部弹簧317复位。
[0009]步骤二:向工控机上输入患者大小腿长度信息。向工控机上输入预设的空间位姿、以及允许的误差范围。所述预设的空间位姿为需要患者在腰部康复训练的装置上执行的康复动作信息姿。
[0010]步骤三:令患者站立在站立平台400上。由工控机根据步骤二输入的患者腿部信息，首先控制小腿气动人工肌肉310充气或放气，调整小腿模块的长度，由小腿模块内的激光测距传感器802实时检测小腿部弹簧307长度值，并将该数据传输给工控机进行计算和判断，直至转动关节306与患者膝关节齐平。
[0011]然后，由工控机控制大腿气动人工肌肉316充气或放气，调整大腿模块的长度，同时由大腿模块内的激光测距传感器802实时检测大腿部弹簧317长度，并将该数据传输给工控机进行计算和判断，使得髋关节弹性绑带301位于患者的髋关节部位。
[0012]步骤四:将大腿模块内的腿部弹性绑带303、小腿模块内的腿部弹性绑带303分别绑在患者的大腿、小腿上，将髋关节弹性绑带301绑在患者髋关节上，准备进行康复运动。
[0013]步骤五:由工控机控制电机单元500内的电机旋转，使得柔索600伸缩，实现站立平台400的运动。由工控机根据站立平台400的空间位姿，实时控制2个转动关节气动人工肌肉311进气阀门和出气阀门的开关、控制小腿关节的转动，进而带动站立平台400运动。同时，工控机根据编码器803实时反馈的小腿模块的转动角度，对转动关节306的转动进行角度补偿，使得患者站立在站立平台400上的位姿符合步骤二输入的预设的空间位姿相一致。
[0014]步骤六:通过压力传感器801和视觉传感器分别实时监测大腿气动人工肌肉316的实时压力信息、小腿部气动人工肌肉310的实时压力信息、转动关节气动人工肌肉311的实时压力信息和站立平台400的实时空间位姿信息，并通过数据采集卡将前述的实时压力信息和实时空间位姿信息传送给工控机，如果超出在步骤二设置的允许的误差范围，则立即停止康复训练，并报警提示进行设备检查，避免患者在进行康复训练时出现意外。
[0015]步骤七:康复训练完成，人工解除腿部弹性绑带303和髋关节弹性绑带301，令患者走下站立平台400。
[0016]步骤八:令下肢自动调节平台300复位，关闭电机单元400、气动人工肌肉和工控机电源。
[0017]本发明的有益技术效果: 1.本发明装置模拟人腿部结构，设计了一种基于气动人工肌肉和弹簧的下肢运动装置，使得患者下肢与腰部训练装置联接为一体，起到了固定支撑患者下肢的作用。
[0018]2.本发明装置中的大小腿模块使用了气动人工肌肉与弹簧串联，可由气动人工肌肉驱动柔索压缩弹簧来降低装置的高度，也可由弹簧弹力驱动来升高装置的高度，同时使用了激光测距传感器实时监测弹簧高度的变化，不仅可以根据患者腿部信息自动调节大小腿装置的高度，在康复训练中，还具有很好的柔顺性，起到了减震、缓冲作用，有效地保护了腰部，防止了二次损伤。
[0019]3.本发明装置使用了气动人工肌肉与弹簧并联驱动、同步带与带轮啮合传动来驱动关节转动，气动人工肌肉充气收缩拉伸弹簧带动带轮的旋转，从而使得膝关节转动，并且在弹簧弹力作用下可使得带轮反向旋转，膝关节反向转动，同时在转动轴上安装了编码器，检测转动的角度，在康复训练过程中，可以保证膝关节精确地转动，辅助站立平台达到预设空间位姿的变化，更精准的实现了患者腿部相对于腰部的弯曲，使得腰部达到更好的康复训练效果。
[0020]4.本发明装置中的下肢自动调节平台使用了仿生学设计，不仅可以用作腰部训练装置的下肢支撑调节装置，还可以用于医疗康复中的下肢康复训练，具有很好的扩展性。
[0021]本发明在结构上的优点还体现在如下:
本发明所述的铝合金型材框架100是由多根铝合金型材和平板搭建而成，用来固定支撑各单元，完成康复训练过程。所述的腰带单元200中的四个分别固定在铝合金型材框架100前后左右位置上的气动人工肌肉，提供轴向驱动力，通过与之相连接的联接装置作用于患者腰部，而腰带单元200中的弹簧用来平衡联接装置的重力。整体结构简单、牢固，工作状态稳定可靠。
[0022]本发明中的4个电机单元500由电机和与其输出轴相连的卷筒组成，且均布固定安装在铝合金型材框架100中的平板上。所述的滑轮单元700中的滑轮底端安装轴与交叉圆锥滚子轴承内圈过盈配合，交叉圆锥滚子轴承外圈通过支架固定安装在铝合金型材框架100顶部，使得滑轮可以自由转动。动力输出方式简洁、高效。
[0023]所述的下肢自动调节单元300中的辅助腿部运动的调节装置由小腿模块、大腿模块组成。小腿支架309底部安装在站立平台400上，其顶端伸出部分为插槽孔，而转动关节306的底端伸出部分为插板，可以自由插入插槽孔。大腿支架304的顶端伸出部分为插槽孔，而髋关节弹性绑带支架319的底端伸出部分为插板，可以自由插入插槽孔。在大腿支架304的底部侧壁上分别开有两个孔，用来安装轴承305。转动轴315安装在轴承305内圈上，通过平键320与转动关节306相联接，并且其伸出端与同步带轮314通过过盈配合联接。三者连接紧凑、长度可调节，能够满足不同腿形长度患者的康复治疗。
[0024]所述的腰带单元200不仅能够辅助患者达到弯腰康复训练的效果，还能起到固定支撑患者上躯干的作用，使得患者上躯干保持平衡。
[0025]本发明通过电机单元500带动柔索600伸缩，从而带动站立平台400的运动。四根柔索600长度的变化可实现站立平台400在空间中位姿的变化。
[0026]本发明中的髋关节弹性绑带301固定绑在患者髋关节部位，腿部弹性绑带303固定绑在患者大小腿上，起到固定支撑患者下肢的作用，同时不限制患者下肢运动的自由度。
[0027]本发明能够自检并纠正站立平台400实际的空间位姿与预设的空间位姿存在误差，使得患者腿部达到预设的位置，更精准的实现了患者腿部相对于髋关节的弯曲