专利名称：跑步机上步行训练安全监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种跑步机上步行训练安全监测装置，属于康复医疗器械中的安全监测 装置。
背景技术：
恢复脊椎损伤、中风等神经系统疾病患者的下肢行走能力， 一直是康复治疗中的一个研 究课题。最近20年来，康复医学理论与实践证明减重平板步行训练是促进这类患者下肢行 走功能恢复的有效治疗方法。传统的减重平板步行训练依靠理疗师手工推动患者双腿在跑步 机上进行步行训练，理疗师体力消耗大使其难以对患者进行长时间的训练。把机器人技术引 入减重平板步行训练，由机器人代替理疗师来带动患者的双腿进行步行训练，将能有效地减 轻理疗师的工作强度，同时还使患者得到持续的、有规律的康复训练，提高训练效率。
上海大学医疗机器人与计算机辅助外科研究小组从减重步行训练的实际需要出发，研制
了一种使用伺服电机驱动的四自由度外骨骼型步态矫正器，并于2007年12月6日向中华人 民共和国国家知识产权局申请了《下肢康复自动步态矫正器》的发明专利，专利申请号 200710171696.4。该发明基于人体下肢骨骼运动机理设计，由两条结构相同的机械腿组成， 单条机械腿由髋关节、膝关节、大腿构件、小腿构件、髋关节电动线性驱动器和膝关节电动 线性驱动器构成。患者使用步态矫正器，可在跑步机上进行自动化的步行训练。
步行训练过程中，当训练者的腿处于支撑状态时，脚底与跑步机的跑带接触，在矫正器 和跑步机的共同协调带动下，腿和脚随跑带从身体前侧逐渐运动到身体后侧；当腿处于摆动 状态时，脚底离开跑步机跑带，并从身体后侧快速运动到身体前侧。训练者的腿虽然使用卡 环和搭扣与机械腿捆绑在一起，但仍然可能会发生运动滑移和重力下滑，这样人腿在从身体 后侧向身体前侧摆动的过程中，脚底就可能会接触到跑步机跑带。由于跑步机跑带始终是从 前往后运动的，与此刻处于摆动中的人腿和脚的运动方向相反，所以当两者接触后，人在跑 带和矫正器的共同带动下，将会发生绊倒。同时，在正常步速行走过程中，两个脚不应该出 现同时离开地面的悬空情况，所以步行训练过程中，如果人的两个脚同时离开了跑步机跑带， 则表明此刻矫正器带动患者行走的步态是不正确的。
为防止上述两种情况发生，设计了一种安全监测装置，它能够时刻监测训练者的双脚与 跑步机跑带的接触状况，并将监测的结果及时反馈给控制系统，当出现异常时，发出报警信 号，并停止步行训练。目前还没有检索到能够满足上述应用场合和应用目的的跑步机上步行训练安全监测装置。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种跑步机上步行训练安全监测装置，它以训练者在跑步机 上进行步行训练时双脚与跑步机跑带表面的接触状况为监测对象，对步行训练者起到安全保 护的作用。
为达到上述目的，本实用新型的构思是在跑步机跑带上方并排设置两个平行的矩形光 幕， 一个光幕在训练者的左脚一侧，另一个光幕在训练者的右脚一侧。两光幕与跑带表面之
间的距离相等，该距离可适当调整，调整范围在0.5至2厘米之间。当训练者的腿处于支撑
状态时，脚站立在跑带上，这一侧光幕将被部分阻断，光幕接收器将不能接收到完整的光信
号；当腿处于摆动状态，脚将离开跑带，这一侧光幕不被阻断，光幕接收器将接收到完整的 光信号。通过监测左、右两个光幕是否能被无阻断的完整接收，即可知道训练者步行时左、 右两脚与跑带的接触情况。正常人在匀速直线行走时， 一侧腿的摆动期和支撑期所占整个步 态周期的比例是一定的，通常支撑期时间约占步态周期的60~70%，摆动期时间约占步态周期 的30~40%。在步行训练过程中，两条腿的步态周期是已知的固定数值。因此，如果在一个步 态周期内监测到两个光幕保持连续畅通的时间在30~40%的范围内，就可以知道此时训练者的 行走步态是正常的，没有发生异常情况。如果在一个步态周期内任何一个光幕保持连续畅通 的时间小于30%，则认为摆动脚在摆动过程中接触了跑带。如果某一时刻，两个光幕均保持 完全畅通的状态，则证明出现了训练者双脚同时离开跑带的情况，这也是异常情况。当任何 一个光幕监测到了异常情况时，控制器就会发出报警信息，并切断跑步机的电源，停止步行 训练。
通过调整两个光幕与跑步机跑带表面之间的距离，可改变监测系统的保护等级。此距离 越大，训练者的脚在摆动时就必须抬得越高，在摆动期内发生异常情况的可能性就越小。这 样安全性就越高，因此保护等级也越高。
跑步机上步行训练安全监测装置包括两个光幕发射器、两个光幕接收器、两个支架、 一个单片机控制器。其特征在于所述的两个光幕发射器结构相同，分别安装在所述的两个支 架上。每个光幕发射器都装了 6个等间距直线排列的红外线激光发射器，可发出直线红外激 光。
所述的两个光幕接收器结构相同，分别安装在所述的两个支架上，并分别与单片机控制 器连接。每个光幕接收器都装有6个等间距直线排列的光敏三极管，用来接收对应光幕发射器发射的红外激光信号。
所述的两个支架结构相同，高度可调整，用于安装光幕发射器和光幕接收器，并用于调 整光幕发射器和光幕接收器的高度。每个支架上分别安装一个光幕发射器和一个光幕接收器。 两个支架分别放置在跑步机的两端，高度相同，并使其上安装的光幕发射器和光幕接收器与 跑步机跑带保持平行。
安装在一个支架上的光幕发射器和安装在另一个支架上的光幕接收器之间形成一个光 幕，用于监测训练者的脚与同侧跑带之间的接触情况。另外一组光幕发射器和光幕接收器之 间形成第二个光幕，用于监测训练者的另一只脚与同侧跑带之间的接触情况。
所述的两个光幕发射器分别安装在跑步机两端的不同侧，两个光幕接收器也分别安装在 跑步机两端的不同侧，因此一侧光幕发射器发射出的红外激光信号仅能被同侧光幕接收器接 收到，而不会被另一侧的光幕接收器接收到，可保证两个光幕的红外激光信号之间不会发生 相互干扰。
同步调整两个支架的高度，可改变两个光幕与跑步机跑带表面之间的距离，进而可改变 光幕安全监测系统的保护等级。该距离设置的越大，脚在摆动就必须抬的越高，发生脚底意 外接触跑带的可能性就越小，这样安全性就越高，因此保护等级也越高。两个光幕与跑步机 跑带表面距离的设置范围在0.5至2厘米。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案
一种跑步机上步行训练安全监测装置，包括一台跑步机，其特征在于所述跑步机的跑带 前后方分别各安置一个光幕发射器和一个光幕接收器，在所述跑带上表面的上方0.5~2厘米 距离处形成的两个光幕分别对准训练者的左右脚；所述两个光幕接收器连接一个单片机控制 器，单片机控制器连接上位主控计算机。
上述两个光幕发射器相同，两个光幕接收器相同，每个光幕发射器都装有6个等距直线 排列的红外线激光发射器，每个光幕接收器都装有6个等距直线排列的光敏三极管。
上述两个光幕发射器和光幕接收器分别安装在设置于跑步机跑带前后方的支架上，所述 支架为可调高度支架。
本实用新型由于采用了以上技术，使其与现有技术相比具有以下优点和特点 1.本实用新型能够自动实时监测训练者在跑步机上步行训练时双脚与跑带的接触情况， 并能自动计算出双脚连续离开跑带的时间与步态周期的比例数值，并据此判断训练者当时的 行走步态是否正确。当监测到训练者行走步态发生异常时，能够及时向上位主控计算机发出 报警信息，并切断跑步机的电源，停止步行训练。2. 本实用新型光幕与跑步机跑带表面之间的距离可调整，通过调整该距离，可改变光幕 监测系统的保护等级。
3. 本实用新型的两个光幕的发射方向相反，避免了互相干扰。
4. 本实用新型使用了通用的元器件，尤其是成本低、功耗小、结构简单、占用空间小， 有较强的实用性。
图1是本实用新型的光幕发射器和光幕接收器的安装位置和光幕区域示意图。
图2是本实用新型一个实施例的结构示意图。
图3是本实用新型光幕发射器与光幕接收器的结构示意图。
图4是本实用新型的电气系统框图。
具体实施方式
本实用新型的一个优选实施结合附图详述如下-
参见图l、图2和图4，本实用新型跑步机上步行训练安全监测装置包括一台跑步机8， 其特征在于所述跑步机8的跑带7前后方分别各安置一个光幕发射器1、 3和一个光幕接收器 2、 4，在所述跑带7上表面的上方0.5 2厘米距离处形成的两个光幕5、 6分别对准训练者的 左右脚；所述两个光幕接收器2、 4连接一个单片机控制器14,单片机控制器14连接上位主 控计算机15。
参见图3，光幕发射器l由六个相同的、等间距布置的红外光激光器12组成，相邻两个 红外光激光器的间距为5厘米；光幕接收器4由六个相同的、等间距布置的光敏三极管13组 成，相邻两个光敏三极管的间距为5厘米；光幕发射器3与光幕发射器1的结构相同，光幕 接收器2与光幕接收器4的结构相同。
参见图1和图2,光幕发射器1和光幕接收器2安装在支架11上，支架11放置在跑步 机8的一端。光幕发射器3和光幕接收器4安装在支架10上，支架10放置在跑步机8的另 一端，与支架ll平行相对。
光幕发射器1发射的红外激光束形成了光幕6，并由光幕接收器4检测接收；光幕发射 器3发射的红外激光束形成了光幕5，并由光幕接收器2检测接收。光幕6和光幕5与跑步 机跑带7平行，分别覆盖跑带7的左半边区域和右半边区域。通过调整支架10和支架11的 长度，可改变光幕5和光幕6与跑带7之间的距离C，距离C的调整范围是0.5至2厘米。
参见图4，光幕接收器4和光幕接收器2通过数据线与单片机控制器14连接；单片机控 制器14通过通讯接口与上位主控计算机连接。当光幕接收器4中的六个光敏三极管13都接收到了红外光信号，即光幕6处于完全畅通 的时候，光幕接收器4向单片机控制器14发出高电平电压信号。当光幕接收器4中的任意一 个或多个光敏三极管13中没有接收到红外光信号，即光幕6处于部分或全部被阻断时，光幕 接收器4向单片机控制器14发出低电平电压信号。单片机控制器14通过检测光幕接收器4 发出的电压信号的高与低，即可知道光幕4所处的畅通与阻断状态。光幕接收器2和光幕发 射器3的工作原理也是如此。
本实施例的工作流程如下-
1. 调整支架10和支架11的高度，设置好光幕5和光幕6与跑步机跑带之间的距离。
2. 打开安全监测装置电源，装置完成初始化后进入开机等待状态。
3. 单片机控制器14与上位主控计算机15通讯，获得将要进行的步态训练的步态周期 数值。
4. 单片机控制器14接收到上位主控计算机15开始工作的指令信号后，进入正式工作 状态。
5. 光幕接收器4连续检测光幕发射器1发出的红外光幕6，并根据光幕6的畅通与阻断 状态向单片机控制器14发出高或低电平的电压信号；光幕接收器2连续检测光幕发 射器3发出的红外光幕5，并根据光幕5的畅通与阻断状态向单片机控制器14发出 高或低电平的电压信号。
6. 单片机控制器14根据接收到光幕接收器4和光幕接收器2的连续高电平电压信号的 时间所占步态周期的比例，来确定训练者的行走步态是否异常。
7. 当单片机控制器14检测到了异常行走步态时，将向上位主控计算机发出报警信号， 并切断跑步机的电源，停止步行训练。当单片机控制器14没有检测到异常步态情况 时，步行训练正常进行。
8. 使用结束时，关闭安全监测装置的电源即可。
权利要求1. 一种跑步机上步行训练安全监测装置，包括一台跑步机(8)，其特征在于所述跑步机(8)的跑带(7)前后方分别各安置一个光幕发射器(1、3)和一个光幕接收器(2、4)，在所述跑带(7)上表面的上方0.5~2厘米距离处形成的两个光幕(5、6)分别对准训练者的左右脚；所述两个光幕接收器(2、4)连接一个单片机控制器(14)，单片机控制器(14)连接上位主控计算机(15)。
2. 根据权利要求1所述的跑步机上步行训练安全监测装置，其特征在于所述两个光幕发射 器(1、 3)相同，两个光幕接收器(2、 4)相同，每个光幕发射器(1、 3)都装有6个 等距直线排列的红外线激光发射器(12),每个光幕接收器(2、 4)都装有6个等距直线 排列的光敏三极管(13)。
3. 根据权利要求1或2所述的跑步机上步行训练安全监测装置，其特征在于所述光幕发射 器(1、 3)和光幕接收器(2、 4)分别安装在设置于跑步机(8)跑带(7)前后方的支 架(11、 10)上，所述支架(11、 10)为可调高度支架。
专利摘要本实用新型涉及一种跑步机上步行训练安全监测装置。它包括一台跑步机。跑步机跑带前后方分别各安置一个光幕发射器和一个光幕接收器，在跑带上表面的上方0.5～2厘米距离处形成的两个光幕分别对准训练者的左右脚，两个光幕接收器连接一个单片机控制器，单片机控制器连接上位控制计算机。本实用新型能实时监测训练时双脚与跑带的接触情况，对步行训练者起安全保护作用。本实用新型结构简单，成本低，功耗小，占用空间小，有较强的实用性。
文档编号A63B22/02GK201283189SQ20082015464
公开日2009年8月5日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者冯治国, 震 张, 沈林勇, 王企远, 章亚男, 钱晋武 申请人:上海大学