一种并联腰部康复训练装置动态特性检测装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及腰部康复训练检测领域，具体是一种并联腰部康复训练装置动态特性 检测装置和方法。
【背景技术】
[0002] 社会老龄化和其它意外原因使得腰部运动障碍的病人日趋增加，而传统的康复治 疗主要依赖治疗师的治疗，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。目前，康复训练装置一般通过柔索驱动腰部进行转动，但其存在很多缺陷。并联腰部康 复训练装置能够解决现有的康复训练装置中利用柔索驱动腰部进行转动效果差、腰部转动 角度受限、难适应较大角度的弯腰和摆动、康复训练效率较低等问题。
[0003] 中国专利申请号201410491844. 0公开了一种利用气动人工肌肉和绳索联合作业 的六自由度并联腰部康复训练装置，从机械设计上实现了腰部的康复训练。虽然并联腰部 康复训练装置在机械设计上使用了气动人工肌肉，一定程度上实现了对腰部的保护，但绳 索和气动人工肌肉在实际实现过程中仍存在一定的安全隐患。为了避免腰部的二次损伤， 对并联腰部康复训练装置进行腰部康复训练运动中的动态特性进行实时检测和监控是必 要的，是提升系统安全、可靠运行的重要保障。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种并联腰部康复训练装置动态特性检测装置和方法，完成 对并联腰部康复训练装置在进行腰部康复训练过程中的实时动态控制和监控，不仅有效地 达到了腰部康复训练的效果，还保证了系统的安全、可靠性。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0006] 一种并联腰部康复训练装置动态特性检测装置，其特征在于：包括铝合金型材框 架，所述铝合金型材框架包括水平的矩形顶框、四个竖向设置的支撑杆，四个支撑杆分别在 矩形顶框的顶角底部支撑矩形顶框，矩形顶框下方设置有水平安装在四个支撑杆下部之间 的底板，底板上中心位置水平设置有站立平台，站立平台上设置有数据采集卡、姿态角传感 器，矩形顶框靠近顶角位置的相邻框边之间分别连接有斜支撑杆，每个斜支撑杆与矩形顶 框框边夹角均相同，每个斜支撑杆上分别转动安装有定滑轮，所述底板上位于每个斜支撑 杆下方分别设置有由伺服电机驱动的卷筒，卷筒的轴端安装有编码器，卷筒上缠绕有绳索， 所述绳索分别向上绕过对应位置斜支撑杆上的定滑轮后再向下连接在站立平台上，且每个 绳索上分别安装有张力传感器，底板上方相邻支撑杆之间还分别连接有水平支撑杆，每个 水平支撑杆上中间位置分别竖向安装有套有弹簧的气动人工肌肉，每个气动人工肌肉的进 气端口处分别安装有压力传感器，每个气动人工肌肉的出气端口处分别安装有流量传感 器，每个气动人工肌肉的上、下端口平面上分别安装有彼此相对的激光测距传感器，每个气 动人工肌肉顶端分别支撑有水平的滑动副，四个滑动副呈十字形伸向站立平台上方，且四 个滑动副伸向站立平台上方的端头处分别连接有腰带；还包括工控机，站立平台上的数据 采集卡通过数据传输线与工控机连接，所述姿态角传感器、张力传感器、压力传感器、流量 传感器、激光测距传感器分别通过数据传输线与数据采集卡连接，所述编码器通过数据线 直接与工控机连接。
[0007]所述的一种并联腰部康复训练装置动态特性检测装置，其特征在于：站立平台上 的姿态角传感器的X、Y惯性主轴分别与由绳索和站立平台的连接点所形成的正方形的边 相垂直，姿态角传感器的Z惯性主轴垂直于站立平台且竖直向上；在运动中，姿态角传感器 实时检测站立平台的横滚角a、俯仰角0和偏转角Y，把相应的角度信息通过数据传输线 传输给安装在站立平台上的数据采集卡，数据采集卡再通过数据传输线把数据传输到工控 机上，由工控机对其进行分析，并对相应的伺服电机进行控制，从而带动绳索的伸缩，使得 站立平台在运动中与腿部保持垂直，确保了站立平台上腰部患者的安全。
[0008] 所述的一种并联腰部康复训练装置动态特性检测装置，其特征在于：所述的张力 传感器安装在距绳索与站立平台连接点的半米处，与绳索串联；在运动中，张力传感器实时 监测绳索的张力，通过数据传输线传输给安装在站立平台上的数据采集卡，数据采集卡再 通过数据传输线把数据传输到工控机上，由工控机对其进行分析保存，得出各个运动阶段 的运动状态参数。
[0009] 所述的一种并联腰部康复训练装置动态特性检测装置，其特征在于：所述的编码 器与卷筒轴端相连接，其数据输出端通过数据线直接与工控机相连接；在运动中，编码器实 时检测卷筒的转动角度，通过数据传输线把相应信息传输给工控机上，由工控机进行分析， 得出绳索的伸缩量，并对伺服电机进行相应的控制输出。
[0010] 所述的一种并联腰部康复训练装置动态特性检测装置，其特征在于：所述的压力 传感器和流量传感器分别安装在气动人工肌肉进气管和出气管的端口处，激光测距传感器 安装在上下端口平面上；运动中，压力传感器和流量传感器分别实时检测进气回路中的进 气压力和出气回路中的出气流量，激光测距传感器实时检测气动人工肌肉的长度，通过数 据传输线传输给安装在站立平台上的数据采集卡，数据采集卡再通过数据传输线把数据传 输到工控机上，工控机对其进行分析，分别对气动人工肌肉进气回路中的压力阀门和出气 回路中的流量阀门开度进行相应的调节控制。
[0011] 一种并联腰部康复训练装置动态特性检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0012] (1)、工控机对各传感器单元进行初始化自检；
[0013] (2)、人工向工控机输入临界阈值；
[0014] (3)、工控机控制四个电机同步转动，带动绳索伸缩，从而站立平台带动腰部患者 上下移动，使得腰带与腰部相接触，并达到合适的位置；
[0015] (4)、工控机控制各电机转动，实现绳索不同的伸缩，使得站立平台带动腿部完成 相对腰部的转动康复训练；同时，编码器实时采集卷筒转动角度信息、张力传感器实时采 集绳索张力信息、姿态角传感器实时采集站立平台空间角度信息，并通过数据采集卡将信 息实时反馈到工控机上，工控机再对各信息进行分析和记录，进而对各电机进行补偿控制 和绳索的安全判别，实现站立平台按预定轨迹的转动和绳索的安全控制，保证了腰部的安 全；
[0016] (5)、工控机控制气动回路中阀门的开关，使得气动回路流通，实现气动人工肌肉 的驱动，完成腰部弯曲康复训练；同时，压力传感器实时采集进气回路中气体压力信息、流 量传感器实时采集出气回路中气体流量信息，激光测距传感器实时采集气动人工肌肉的长 度信息，并通过数据采集卡将信息实时反馈到工控机上，工控机再对各信息进行分析和记 录，进而控制气动回路中压力阀门和流量阀门的开度，控制气动人工肌肉力的大小及其变 化，防止对腰部造成二次扭伤；
[0017] (6)、工控机实时监测各传感器的工作状态，判别各传感器是否在预设范围内工 作，是否需要报警，并做出相应的警示动作。
[0018] 本发明的有益技术效果
[0019] 本发明使用了模块化设计，具有安装灵活、维护简单、使用方便，具有如下优势：
[0020] 1)通过四个在同一圆周上均布的伺服电机带动绳索伸缩，从而使得站立平台运 动，实现腰部转动的康复训练；同时，通过气动人工肌肉驱动，实现腰部前屈、背伸、左右弯 腰的康复训练，有效地实现了腰部的康复训练过程。
[0021] 2)使用编码器、张力传感器、姿态角传感器实时动态采集运动信息，进行绳索的反 馈补偿控制，既保证了站立平台在运动中与腿部的垂直，又保证了绳索在运动中始终处于 安全状态，实现了站立平台按预定的康复训练轨迹运动，保证了腰部在进行转动康复训练 过程中系统的安全、可靠性。
[0022] 3)通过压力传感器、流量传感器、激光测距传感器实时采集气动回路中气体的压 力、流量和气动人工肌肉长度信息，实时控制和监测气动回路中的气体运动，保证了气动人 工肌肉力的大小及其变化在安全范围内，实现对腰部受力大小及其变化的精确控制，有效 地完成了腰部前屈、背伸、左右弯腰的康复训练，同时