专利名称：减重式手脚协调趣味训练装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种下肢平衡功能障碍患者的康复训练装置，尤其涉及一种减重式手 脚协调趣味训练装置。
背景技术：
据统计，我国脑血管病、帕金森病、颅脑外伤、脊髓损伤年发病率在逐年增加。这些 疾病和损伤会造成平衡功能障碍，乃至残疾。以目前存活的320 400万脑血管病重残患 者为例，平衡功能障碍是主要致残因素之一。多个循证医学证据表明，平衡功能练习是改善 功能障碍的重要方式。对于平衡功能障碍患者来说，运动协调能力训练可以改善神经系统募集运动单位 的机能能力，改善对抗肌之间及肌纤维之间的协调关系，提高肌肉收缩力量的效能，有利于 获得更高的训练效应，完成一定的操作技能。运动协调能力包括手-脚之间的协调能力。人 体在利用手脚进行有目的的相关操作过程中，手、脚动作与目测的信息进行匹配，匹配的准 确性、敏捷性、连贯性极大地依赖于人的协调能力，因此手脚协调能力训练意义重大。国内外平衡训练系统发展多年，下肢康复产品品种繁多，如=Ultracare和Biodex 平衡测试训练系统，但不足之处是训练功能单一，尤其缺乏手脚协调训练功能。目前康复功能训练产品的第二大缺点是训练趣味性不够，缺乏视觉、听觉反馈系 统，造成患者和康复仪器之间互动困难，容易使患者对长期的重复简单动作产生厌烦和抵 触情绪，无法激发患者训练的兴趣，影响康复进程。目前康复训练产品的第三大缺点是减重方式不合理，主要使用悬吊设备进行减重 训练。悬吊设备使用悬吊带向上牵引患者体重，需束缚患者躯干部，操作较繁琐，且易带来 患者不适，若要患者控制重心移动，尤为困难。
发明内容
本发明目的，就是为了解决上述问题，提供一种减重式手脚协调趣味训练装置。为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案一种减重式手脚协调趣味训练 装置，包括训练床、手动控制装置、控制箱、主控计算机、患者用显示装置和主显示屏；训练床包括床座、床架和床板，床架安装在床座上并与床座可转动相连，在床架的 前端连接有左、右脚踏板组件，在左右脚踏板组件上分别设有左右足底压力传感装置，在床 架与床座之间设有床板角度调节机构，该床板角度调节机构包含一台直线步进电机；手动控制装置连接在床架的一侧；控制箱内设有传感装置接口电路、手动控制装置信号处理电路和电机驱动模块； 传感装置接口电路与左右足底压力传感装置电信号相连，手动控制装置信号处理电路和手 动控制装置信号相连，电机驱动模块与床板角度调节机构中的直线步进电机电信号相连；主控计算机设置在操作台上，主控计算机内设有数据采集模块和运动控制模块， 数据采集模块与控制箱中的传感装置接口电路电信号相连，运动控制模块与控制箱中的电CN 102039028 A说明书2/6页机驱动模块电信号相连；主控计算机的串口与控制箱中的手动控制装置信号处理电路电信 号相连；患者用显示装置活动设置在训练床的旁边并与主控计算机电信号相连；主显示屏设置在操作台上并与主控计算机电信号相连。所述的左、右脚踏板组件结构对称相同，各包括脚踏板支架、脚前端缓冲器、脚后 跟导向轴和脚踏板；脚踏板支架与床架固定相连；脚前端缓冲器和脚后跟导向轴分别连接 在脚踏板与脚踏板支架之间；在脚踏板周围设有足底压力传感装置，足底压力传感装置与 控制箱内的传感装置接口电路电信号相连。足底压力传感装置由贴有四根应变片的悬臂梁 组成，贴有四根应变片的悬臂梁插装在由脚踏板、脚踏板支架、脚前端缓冲器和脚后跟导向 轴组成的脚底受力部件内。四个足底压力传感装置的安装方法是首先找到正常静止不动时 重心投影作为传感装置的中心位置，然后放置相应的四个足底压力传感装置。所述的手动控制装置包括固定支架、横杆、水平连杆、竖直连杆、支撑底座和游戏 操作柄，固定支架固定安装在床架的一侧，横杆活动套装在固定支架上可以上下升降和水 平转动，水平连杆与横杆套接相连可以水平伸缩，竖直连杆与水平连杆活动相连可以绕水 平连杆沿竖直方向转动，支撑底座与竖直连杆固定相连，游戏操作柄安装在支撑底座上，在 支撑底座上还安装有游戏开始按键和游戏结束按键，游戏开始按键和游戏结束按键分别与 控制箱电信相连，并通过串口线连接到主控计算机。所述的训练床的床座上安装有多个万向调节脚轮，并相应设有多个用于调节脚轮 上下伸缩的调节机构。所述的训练床还包括床板角度显示器，该床板角度显示器安装在床架上随床架一 起移动。减重式手脚协调康复趣味训练软件是一套打飞机游戏软件，安装在主控计算机 上，软件功能包含趣味训练和静态姿势图测试结果查看等功能，趣味训练模块提供不同难 度的虚拟现实的打飞机游戏过程，测试查看模块专供医生查看和分析在游戏过程中左右脚 对左右脚踏板的压力平均值和各项静态姿势图参数。本发明减重式手脚协调趣味训练装置具有以下特点1、本发明中的手动控制装置具有折叠收放功能，通过转动横杆等机构实现，方便 患者上下床。同时该手动装置具有左右、前后、上下位置调节功能以适合身高及臂长不同的 各种患者。2、本发明中的手动控制装置一端固定在训练床的一侧，另一端位于患者前方，便 于患者用手操作。手动控制装置包含手动游戏操作柄和两个按键及相关接口电路，通过患 者推动游戏操作柄至相关武器选择挡位，完成游戏武器类型选择、按下游戏操作柄进行武 器发射操作，同时生成相关控制信号，实时发送到主控计算机，参与游戏过程。两个按键分 别完成游戏开始和游戏结束动作，方便患者控制，游戏开始和游戏结束也可由主控计算机 控制。3、游戏中患者根据敌机和敌机发射炮弹的方位来控制双下肢重心投影位置和移 动方向，同时推动游戏操作柄至相关的武器选择挡位，选择武器类型并发射炮弹，努力歼灭 敌机，移动我方战机位置以躲避敌机的炮弹，还要尽量避免与敌机相撞，减少我方战机损失 数量。患者主动控制左右下肢的用力，调节人体重心在游戏中的位置，手脚协调并用，尽可能击中敌机，同时维持站立平衡，在训练下肢平衡的同时合理地训练了患者的手脚协调能 力。4、本发明的装置中设有背部支撑减重方式，实现了患者训练强度可调。5、本发明的游戏综合手脚协调、视觉、听觉融合的训练效果，提高患者康复训练趣 味性和真实性。6、本发明综合打飞机游戏测试结果，可供医生查看和分析在打飞机游戏过程中左 右脚对左右脚踏板的压力平均值和各项静态姿势图参数。
图1是本发明中的减重式手脚协调趣味训练装置的整体结构示意图；图2是手动控制装置示意图；图3是手动控制装置的局部结构示意图；图4是足底压力传感装置放置位置示意图。
具体实施例方式参见图1，配合参见图2、图3、图4，本发明中的减重式手脚协调趣味训练装置，包 括训练床1、控制箱2、主控计算机3、患者用显示装置4、主显示屏5和手动控制装置16。控 制箱2安装在训练床的床座11上，主控计算机3设置在操作台(操作台未图示出来)上， 患者用显示装置4活动设置在训练床的旁边并与主控计算机电信号相连，主显示屏5设置 在操作台上并与主控计算机电信号相连。训练床1包括床座11、床架12和床板13，床架12安装在床座11上，与床座11通 过转轴6可转动相连，并通过两顶杆9 (分别设置在两侧)支撑在床座11上方。床板13固 定在床架12上，在床架12的前端连接有左、右脚踏板组件14，手动控制装置16连接在训练 床上。在床架12与床座11之间设有床板角度调节机构15，该床板角度调节机构包含一台 直线步进电机。在训练床的床座11上安装有多个万向调节脚轮111，并相应设有多个用于 调节脚轮上下伸缩的调节机构112。在床架12上还安装有床板角度显示器8，床板角度显 示器8随床架12 —起移动用于显示床架12及床板13倾斜的角度。左、右脚踏板组件14结构对称相同，各包括脚踏板支架141、脚前端缓冲器142、脚 后跟导向轴143和脚踏板144。脚踏板支架141与床架12固定相连；脚前端缓冲器142和 脚后跟导向轴143分别连接在脚踏板144与脚踏板支架141之间。在脚踏板144周围设有 足底压力传感装置，该足底压力传感装置由贴有四根应变片的悬臂梁组成，贴有四根应变 片的悬臂梁插装在由脚踏板、脚踏板支架、脚前端缓冲器和脚后跟导向轴组成的脚底受力 部件内，并分别与控制箱2内的传感装置接口电路电信号相连。足底压力传感装置的安装 位置如图4所示，Fa、Fb, Fc, Fd分别表示四个足底压力传感装置的安装位置的受力，0为四 个足底压力传感装置的中心点，将正常人静止不动时重心投影作为传感装置的中心点0，然 后放置相应的四个足底压力传感装置(正常重心投影零位与四个足底压力传感装置的中 心点重合)。L为四个足底压力传感装置的中心点在X轴上到传感装置的距离，M为四个足 底压力传感装置的中心点在Y轴上到传感装置的距离。控制箱2安装在训练床的床座11上，控制箱内设有传感装置接口电路、电机驱动模块和电源模块(未图示出来)，电源模块分别为传感装置接口电路和电机驱动模块提供 电源；电机驱动模块与床板角度调节机构中的直线步进电机电信号相连。主控计算机3设置在操作台(操作台未图示出来)上，与主显示屏5电信号相连。 主控计算机内集成数据采集模块、运动控制模块，并设有相应的减重式手脚协调趣味训练 软件。手动控制装置16固定在训练床上，折叠放置在训练床架的一侧，需要时可伸展至 患者前方，便于患者用手操作。手动控制装置包含手动游戏操作柄和两个按键及相关接口 电路，通过患者推动游戏操作柄至相关武器选择挡位，完成游戏武器类型选择、按下游戏操 作柄进行武器发射操作，同时生成相关控制信号，实时发送到主控计算机，参与游戏过程。 两个按键分别完成游戏开始和游戏结束动作，方便患者控制，游戏开始和游戏结束也可由 主控计算机控制。该手动控制装置16分为5个模块固定架161、转动横杆162、水平杆163、竖直杆 164和终端机构165。固定架161用于固定手动控制装置，包含与床连接的固定块1611及 向上竖起的直杆1612;转动横杆162用于调节游戏柄的上下高度，包含中空横杆1621、上下 套筒1622、高度固定螺栓1623及左右长度固定螺栓1624、出线引导孔1625 ；水平杆163用 于调节游戏柄的左右水平位置，包含进线孔1631、出线孔1632、竖直杆转动角度固定螺栓 1633 ；竖直杆164用于调节游戏柄的左右倾斜角度，包含进线孔1641、出线孔1642、定位台 阶1643 ；终端机构165用于安装固定游戏柄、安装游戏开始及结束按钮，并调节游戏柄的前 后倾斜角度，包含底座1651、套筒1652、底座倾角调节螺栓1653、游戏操作手柄1654、游戏 开始按钮1655、游戏结束按钮1656。该手动控制装置的5个模块顺序连接，最终游戏操作柄的采用如下的顺序被予以 固定终端机构165上的游戏操作柄16M固定在底座1651上，终端机构165通过其上的套 筒1652固定到竖直杆164的终端上，164的另一端通过旋紧螺栓1632套入水平杆163内。 水平杆163又被套入中空的转动横杆162内，通过旋紧螺栓16M固定。转动横杆162通过 其上的上下套筒1622套入固定架161的竖起直杆1612上并由螺栓1623锁定。固定架161 通过其上的固定块1611经螺栓固定在床架12上，位置在床的中间，左侧或右侧均可。该手动控制装置具有折叠收放功能，可方便患者上下床。通过拧松螺栓1623转动 162使该结构移离床面的位置，后由螺栓1623锁紧固定。该手动控制装置中的游戏操作柄具有左右、前后、上下位置调节功能，适合身高及 臂长不同的各种患者。游戏操作柄左右调节调节通过松掉螺栓1624，拉出或推进163到合 适位置，再次旋紧16M即可实现。游戏操作柄前后调节通过松掉螺栓1623，旋转162到合 适的位置并旋紧，然后松掉螺栓1632向反方向转动适当角度即可。游戏操作柄上下调节通 过松掉螺栓1623，上下移动162到合适高度，再次旋紧螺栓1623即可。该手动控制装置中的游戏操作柄16M具有全方位角度调节功能，游戏操作柄的 前后仰角调节通过松掉螺栓1653，旋转游戏操作柄16M的底座1651到合适前后角度，锁紧 螺栓1653实现。游戏操作柄的左右仰角通过松掉螺栓1632，旋转竖直杆164到合适角度， 再次锁紧螺栓1632实现。该手动控制装置中的游戏操作柄的信号线通过中空的竖直杆164的下入口 1641 进入，信号线经由竖直杆164的出1642进入中空的水平杆163的入口 1631中，再经由水平杆163的的出1632进入转动横杆162中，经由转动横杆162的出口 1625进入床下的控制箱。患者用显示装置4活动设置在训练床1的旁边并与主控计算机3电信号相连，该 患者用显示装置4包括移动小车41、安装在移动小车上的支架42和安装在支架上的显示屏 43，显示屏与支架活动连接，显示屏的高度和角度可以调节。减重式手脚协调康复趣味训练软件是一套打飞机游戏软件，软件基于上述足底压 力传感装置采集以及处理(通过数据采集装置)，在主控计算机中形成下肢平衡康复训练 参数数据。手动控制装置的控制信号通过串口反馈主控计算机，与下肢平衡康复训练信号 形成手脚协调信号处理。本发明减重式手脚协调趣味训练装置的使用方法如下1、让患者倾斜躺在训练床上，并让其左右脚分别踩在左右脚踏板上，使左右脚踏 板处于同一水平面上；2、根据患者的实际情况确定所需的减重重量，通过调节训练床的倾斜角度以实现 不同程度减重；3、计算机进入手脚协调康复趣味训练模块，患者根据主控计算机中的打飞机游戏 要求，控制左右下肢的用力，调节人体重心投影在屏幕中相应位置移动，维持站立平衡，同 时与手动操作协调，击中飞机。本发明中的减重式手脚协调趣味训练软件具体实施包括以下内容a.趣味功能训练模块的打飞机游戏软件，设定合适的游戏时间，让患者根据我方 战机的位置(人体重心投影)，实时调节双下肢用力中心位置，控制我方战机上下左右方向 移动，在合适位置歼灭敌机并躲避敌机的炮弹并避免与敌机相撞，同时用手控制游戏操作 柄选择武器类型并发射炮弹，打击敌机，训练成绩以击落敌机架数和拥有生命点数评定。b.患者游戏过程中的重力投影的获取过程一般人体重心(center of gratitude, COG)在第二骶骨前，该系统中的重心投影指的是人体重心在脚踏板上的投影， 又由于人体处于站立平衡游戏过程中侧向力很小，因此人体重心投影位置测试原理就可以 简化为χ = (Fa+Fb-Fc-Fd) · L/Gy = (Fb+Fd-Fa-Fc) · M/G式中，L为四个足底压力传感装置的中心点在X轴上到传感装置的距离，M为四个 足底压力传感装置的中心点在Y轴上到传感装置的距离，G为减重后的患者人体的重量，Fa、 Fb, Fc, 分别为四个足底压力传感装置的读数；所述的正常重心投影零位即四个足底压力 传感装置的中心点。C、患者游戏过程中的手部游戏信号的获取过程手动控制装置包含游戏操作柄和 两个按键，游戏操作柄用于选择并发射机关炮、导弹和散弹枪三种武器，两个按键分别控制 游戏开始、游戏结束。这些选择信号，通过信号线连到控制箱，经过手动控制装置信号处理 电路和接口电路模块，将手动操作柄等信号经串口连接线实时送主控计算机，患者所选择 武器类型和两个按键状态在界面上同步显示，便于医生观察了解。d.测试结果查看功能实现过程测试结果查看功能以柱状图形式显示左右脚对 左右脚踏板的压力平均值和各项静态姿势图参数，专供医生查看分析额状面摆动频率、平均重心、额状面最大摆幅、额状面平均摆幅、重心移动轨迹总长度、重心移动轨迹总面积和 额状面侧方摆速等参数。 本发明的减重式手脚协调康复趣味训练装置，提供手脚并用互动的训练平台，使 患者在背部支撑减重辅助下，利用视觉、听觉反馈轻轻松松玩游戏，有利于分散患者注意 力，减少患者的训练枯燥感，接受长期的训练，达到促进患者康复的目的。
权利要求
1.一种减重式手脚协调趣味训练装置，其特征在于包括训练床、手动控制装置、控制 箱、主控计算机、患者用显示装置和主显示屏；训练床包括床座、床架和床板，床架安装在床座上并与床座可转动相连，在床架的前端 连接有左、右脚踏板组件，在左右脚踏板组件上分别设有左右足底压力传感装置，在床架与 床座之间设有床板角度调节机构，该床板角度调节机构包含一台直线步进电机；手动控制装置连接在床架的一侧；控制箱内设有传感装置接口电路、手动控制装置信号处理电路和电机驱动模块；传感 装置接口电路与左右足底压力传感装置电信号相连，手动控制装置信号处理电路和手动控 制装置信号相连，电机驱动模块与床板角度调节机构中的直线步进电机电信号相连；主控计算机设置在操作台上，主控计算机内设有数据采集模块和运动控制模块，数据 采集模块与控制箱中的传感装置接口电路电信号相连，运动控制模块与控制箱中的电机驱 动模块电信号相连；主控计算机的串口与控制箱中的手动控制装置信号处理电路电信号相 连；患者用显示装置活动设置在训练床的旁边并与主控计算机电信号相连；主显示屏设置在操作台上并与主控计算机电信号相连。
2.如权利要求1所述的减重式手脚协调趣味训练装置，其特点在于所述的左、右脚 踏板组件结构对称相同，各包括脚踏板支架、脚前端缓冲器、脚后跟导向轴和脚踏板；脚踏 板支架与床架固定相连；脚前端缓冲器和脚后跟导向轴分别连接在脚踏板与脚踏板支架之 间；在脚踏板周围设有足底压力传感装置，足底压力传感装置与控制箱内的传感装置接口 电路电信号相连。
3.如权利要求2所述的减重式手脚协调趣味训练装置，其特点在于所述的足底压力 传感装置由贴有四根应变片的悬臂梁组成，贴有四根应变片的悬臂梁插装在由脚踏板、脚 踏板支架、脚前端缓冲器和脚后跟导向轴组成的脚底受力部件内。
4.如权利要求1所述的减重式手脚协调趣味训练装置，其特点在于所述的手动控制 装置包括固定支架、横杆、水平连杆、竖直连杆、支撑底座和游戏操作柄，固定支架固定安装 在床架的一侧，横杆活动套装在固定支架上可以上下升降和水平转动，水平连杆与横杆套 接相连可以水平伸缩，竖直连杆与水平连杆活动相连可以绕水平连杆沿竖直方向转动，支 撑底座与竖直连杆固定相连，游戏操作柄安装在支撑底座上，在支撑底座上还安装有游戏 开始按键和游戏结束按键，游戏开始按键和游戏结束按键分别与控制箱电信相连，并通过 串口线连接到主控计算机。
5.如权利要求1所述的减重式手脚协调趣味训练装置，其特点在于所述的训练床的 床座上安装有多个万向调节脚轮，并相应设有多个用于调节脚轮上下伸缩的调节机构。
6.如权利要求1所述的减重式手脚协调趣味训练装置，其特点在于所述的训练床还 包括床板角度显示器，该床板角度显示器安装在床架上随床架一起移动。
7.如权利要求1所述的减重式手脚协调趣味训练装置，其特点在于所述的主控计算 机内设有减重式手脚协调趣味训练软件，该软件是一套打飞机游戏软件，软件包含功能训 练模块和静态姿势图测试结果查看等功能。
全文摘要
本发明提供了一种减重式手脚协调趣味训练装置，该装置包括训练床、手动控制装置，控制箱、主控计算机、患者用显示装置和主显示屏；在床架与床座之间设有床板角度调节机构，实现各种不同程度的背部支撑减重。训练床的一端设有左右脚踏板组件等下肢平衡训练机构；床架一侧设有手动控制装置，手动控制与下肢平衡训练结合实现手脚协调训练。患者显示装置主要实时显示游戏过程，实现游戏互动。主显示屏提供训练参数及静态姿势图，供医生参考。该装置首次将手脚协调训练应用于下肢康复训练领域，使患者在任意减重程度下，利用视觉、听觉反馈做游戏，提高患者的综合康复训练能力。
文档编号A63B23/035GK102039028SQ200910174830
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月17日 优先权日2009年10月17日
发明者刘颖, 安美君, 崔海坡, 徐秀林, 王红梅, 胡秀枋, 赵展, 邹任玲 申请人:上海理工大学