一种大鼠动态减重训练跑台及其控制系统的制作方法
本发明涉及一种医学领域的动物实验设备，更确切地说是涉及一种大鼠动态减重训练跑台及其控制系统。
背景技术：
我国的老龄化问题越来越突出，心脑血管疾病和神经系统疾病的人数也急剧增加，其中由脊髓损伤、脑血管意外、脑外伤、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的人数在逐年上升。根据损伤位置的不同，病情也会有所差异，从完全无征兆到半身不遂、完全瘫痪都可能存在。目前临床治疗方法主要有肌电生物反馈与综合康复训练结合法、减重步态康复训练疗法和针灸联合康复训练法等。
减重下被动康复训练是目前患者早期介入治疗的最有效的方法之一，源于1982年rossignol等人用脊髓损伤的猫所进行的步行训练实验。
目前应用于下肢康复训练的机器人是在减重步态训练基础上发展而来的智能训练系统，系统既可以模拟正常人的行走姿态，又可以承担一部分的人体重量，可用以对下肢有运动功能障碍的患者进行有效的康复训练。在训练治疗过程中，通过减重支持装置减少患者下肢(对于动物来说是后肢)的负重，并将负重、迈步、平衡这步行三要素有机结合起来，促进正常步态模式的建立，激发治疗信心。减重步态康复训练疗法的最终目的是帮助患者恢复肌体组织的运动机能，改善其运动功能。
减重模式在临床中主要分四类：悬吊式减重模式、水池式减重模式、斜床减重模式和气囊式减重模式。因其良好的临床使用效果，引起了国内外学者的广泛关注。已有大量的文献报道减重疗法在恢复步行能力、纠正步态、改善平衡及减轻肌肉痉挛等方面有很大优势，不仅降低了治疗师的工作强度，而且提高了治疗安全性。迄今为止，减重步态训练疗法主要用于脊髓损伤患者和中风患者，也可用于骨折、关节疾病、截瘫等下肢运动功能障碍患者。
尽管减重疗法在实验研究和临床应用领域有着不可低估的重要地位，但其确切作用机制至今仍未完全阐明，大大阻碍了该疗法广泛用于不完全脊髓损伤患者行走功能的临床康复治疗，因此需通过动物实验研究该疗法最基本的神经机制，并指导临床应用。
为了开展动物实验研究，需开发相应的实验平台，对实验动物实施减重训练。大鼠基因与人类基因较相似，医学实验研究通常采用大鼠作为实验动物，因此本发明所研制的多功能动物跑台主要用于对大鼠不完全脊髓损伤后实施减重训练，促进其后肢运动功能恢复。
国外研究人员开发了用于动物减重训练的实验装置。w.k.timoszyk等人设计了第一代动物减重训练跑台。该跑台由跑步机、减重平衡装置和机械手组成。减重平衡装置通过移动平衡物来改变为动物提供的减重重量，机械手由通过夹子与大鼠后肢的趾骨连接，带动大鼠后肢运动。
该跑台结构简单，机械结构的摩擦力较大无法实时给出精准的实验数据供研究人员参考，不适用于减重疗法的动物实验。
国内的跑台，在大鼠运动过程中，重心会发生变化，导致减重的力不能恒定，影响康复效果。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供了一种大鼠动态减重训练跑台及其控制系统，其结构紧凑，操作方便，弹簧会随着大鼠重心浮动，维持恒定的减重力，并能实时获得精准的数据。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种大鼠动态减重训练跑台及其控制系统，它包括：
跑步机，所述跑步机包括箱体和电动跑道，所述电动跑道安装在箱体的上端，所述箱体的内部设有调速电机，所述箱体的外侧设有通过调速电机带动传动的传动机构，所述传动机构用于带动电动跑道运动，所述箱体的两侧且上端设有安装板；
动态减重支持装置，所述动态减重支持装置包括连接支撑架及机械爪结构，所述连接支撑架包括分别固定在箱体两侧安装板上的支撑杆及设置在两个支撑杆上端将两个支撑杆连接在一起的横杆，所述横杆上固定安装有电机安装板且在电机安装板上安装有调高电机，所述两个支撑杆上套接有安装横杆和带有螺纹孔的调节横杆，所述调节横杆设置在安装横杆的上部，所述调高电机的输出轴端连接有穿过调节横杆上螺旋孔的丝杆，所述机械爪结构包括机械爪和安装块，所述安装块固定安装在安装横杆上，所述机械爪的后侧设有转向盘，所述转向盘上设有调节固定孔和调节槽，所述安装横杆上设有分别穿过调节固定孔和调节槽的连接件和调节件，所述调节横杆上设有与安装块连接的拉力传感器；
控制系统，所述控制系统包括硬件和算法部分。所述硬件部分包括用于接收信号的a/d信号处理电路，所述a/d信号处理电路集成于stm32，所述stm32连接有用于驱动调速电机和调高电机的驱动电路，所述stm32上外接数据存储设备、显示设备、键盘输入设备及通过usb通讯连接的上位机。所述控制系统算法部分包括导纳控制与位置控制，用于大鼠运动过程中维持减重力恒定。
作为改进，所述调高电机可随着大鼠重心的浮动进行正转或反转，从而带动减重弹簧上下移动，维持恒定的减重力。
作为改进，所述电动跑道包括主动轴和从动轴，所述主动轴和从动轴的上端覆盖有跑步带，所述主动轴的两侧设有角度传感器，传动简单，能够通过角度传感器监测调速电机的转速，从而推算出跑步带的速度。
作为改进，所述传动机构包括设置在调速电机输出轴端的主动带轮和设置在主动轴端部的从动带轮，所述主动带轮和从动带轮设置在同侧，所述主动带轮和从动带轮之间设有传送带，传动方式简单。
作为改进，所述主动带轮和从动带轮为同步带轮，所述传送带为同步带，传动速度精确。
作为改进，所述从动轴的数量不少于2个且可以位置调节，能够对跑步带调节松紧且支撑效果好，防止塌陷。
作为改进，所述调节槽的调节角度为垂直地面0-90°，能够满足大鼠各种站立方式。
作为改进，所述连接件为销轴、螺栓或螺柱，所述机械爪能够绕连接件转动，连接方便。
作为改进，所述调节件为螺栓或螺纹柱型结构，链接方便，易获取。
作为改进，所述箱体的一端面上开设有开关门，打扫卫生方便。
采用以上结构后，本发明具有如下优点：
本发明的大鼠动态减重训练跑台及其控制系统，可对具有后肢运动功能障碍的大鼠实施跑台训练和减重支持相结合的减重疗法，还能为脊髓损伤研究提供实验依据。该系统结构紧凑，能够进行数据的存储和显示，可以通过调速电机调节跑步机的速度，适应不同的实验需求控制方便，通过外界连接的上位机进行输入控制，智能化程度高，准确度高，减重弹簧随着大鼠重心浮动，维持恒定的减重力。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的正面结构示意图。
图3是本发明实施例的侧面结构示意图。
图4是本发明实施例的动态减重支持装置结构示意图。
图5是本发明实施例的箱体内部结构示意图。
图6是本发明实施例的跑步机结构示意图。
图7是本发明实施例的电动跑道示意图。
图8是本发明实施例的控制系统示意图。
图9是本发明实施例的核心控制框图。
如图所示：1、跑步机，2、动态减重支持装置，3、箱体，4、电动跑道，5、调速电机，6、传动机构，7、安装板，8、连接支撑架，9、机械爪结构，10、支撑杆，11、横杆，12、电机安装板，13、调高电机，14、安装横杆，15、调节横杆，16、丝杆，17、机械爪，18、安装块，19、转向盘，20、调节固定孔，21、调节槽，22、连接件，23、调节件，24、拉力传感器，25、主动轴，26、从动轴，27、跑步带，28、角度传感器，29、主动带轮，30、从动带轮，31、传送带，32、开关门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
结合附图1-9，一种大鼠动态减重训练跑台及其控制系统，它包括：
跑步机，所述跑步机包括箱体和电动跑道，所述电动跑道安装在箱体的上端，所述箱体的内部设有调速电机，所述箱体的外侧设有通过调速电机带动传动的传动机构，所述传动机构用于带动电动跑道运动，所述箱体的两侧且上端设有安装板；
动态减重支持装置，所述动态减重支持装置包括连接支撑架及机械爪结构，所述连接支撑架包括分别固定在箱体两侧安装板上的支撑杆及设置在两个支撑杆上端将两个支撑杆连接在一起的横杆，所述横杆上固定安装有电机安装板且在电机安装板上安装有调高电机，所述两个支撑杆上套接有安装横杆和带有螺纹孔的调节横杆，所述调节横杆设置在安装横杆的上部，所述调高电机的输出轴端连接有穿过调节横杆上螺旋孔的丝杆，所述机械爪结构包括机械爪和安装块，所述安装块固定安装在安装横杆上，所述机械爪的后侧设有转向盘，所述转向盘上设有调节固定孔和调节槽，所述安装横杆上设有分别穿过调节固定孔和调节槽的连接件和调节件，所述调节横杆上设有与安装块连接的拉力传感器，其在大鼠训练中大鼠的重心浮动，调高电机会随着重心浮动进行正转或反转，实时调节减重弹簧高度，确保提供的是恒定的减重力。
控制系统，所述控制系统包括硬件和算法部分。所述硬件部分包括用于接收信号的a/d信号处理电路，所述a/d信号处理电路集成于stm32，所述stm32连接有用于驱动调速电机和调高电机的驱动电路，所述stm32上外接数据存储设备、显示设备、键盘输入设备及通过usb通讯连接的上位机。所述控制系统算法部分包括导纳控制与位置控制，用于大鼠运动过程中维持减重力恒定。
所述电动跑道包括主动轴和从动轴，所述主动轴和从动轴的上端覆盖有跑步带，所述主动轴的两侧设有角度传感器，跑步带速度在0～15cm/s范围内无级可调，为防止跑步带偏移，可以将主动轴和从动轴加工成中间高两侧低的椎体形。
所述传动机构包括设置在调速电机输出轴端的主动带轮和设置在主动轴端部的从动带轮，所述主动带轮和从动带轮设置在同侧，所述主动带轮和从动带轮之间设有传送带，所述主动带轮和从动带轮为同步带轮，所述传送带为同步带，也可以使用能够实现此功能的其他传动方式，如链传动或蜗轮蜗杆传动。
所述从动轴的数量不少于2个且可以调节位置。
所述调节槽的调节角度为垂直地面0-90°。
所述连接件为销轴、螺栓或螺柱，所述机械爪能够绕连接件转动。
所述调节件为螺栓或螺纹柱型结构。
所述箱体的一端面上开设有开关门。
控制系统：
拉力传感器用来测量动态减重支持装置给大鼠提供的减重重量。
a/d信号处理电路接受来自编码器和拉力传感器的信号，经过处理后，通过a/d采集电路发送给控制器stm32。
驱动电路将stm32输出的pwm信号和相关控制信号隔离、功率放大，用来驱动电机。
hmi提供动物康复训练ui界面，hmi与控制器stm32通过串口通讯，上位机与控制器stm32通过usb口进行通讯。
hmi界面可以传输控制命令，包括跑步带启动、停止、速度设定，动物减重重量设置和训练时间。另外，训练过程中，上位机可用来记录脊髓损伤动物功能康复训练过程中的相关数据，用于对康复效果进行分析评价。
结合附图9，m为物体(实验鼠)质量，x为物体位移，
各个参数的关系为：
公式(1)
公式(2)
公式(3)
结合附图9，首先系统输入弹簧形变初始位移量x0，在输入引入系统外力fext构成控制系统外回路，两者经导纳控制后得到弹簧期望形变位移量xd，在此引入系统弹簧实际形变位移量x，构成控制系统内回路，两者再经位置控制得到系统所需的控制力f，再由控制力f施加到物体上，由系统对象的动态特性进行计算，得出经算法后的系统外力fext以及弹簧形变位移量，并再将此两者不断引入到外回路与内回路中，实现双闭环控制，使系统外力fext与弹簧形变位移量x向期望值靠拢，达到恒力减重。
操作步骤：
(1)通过上位机或hmi交互屏设定跑步机的跑带速度、动态减重支持装置提供的减重重量、大鼠训练时长等，并通过显示设备显示。
(2)在大鼠训练中，通过导纳控制算法控制调高电机实时调节弹簧位置，保证提供给大鼠的减重力恒定。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
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