專利名稱：減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種下肢平衡功能障礙患者的康復訓練裝置，尤其涉及一種減重式手 腳協(xié)調趣味訓練裝置。
背景技術：
據(jù)統(tǒng)計，我國腦血管病、帕金森病、顱腦外傷、脊髓損傷年發(fā)病率在逐年增加。這些 疾病和損傷會造成平衡功能障礙，乃至殘疾。以目前存活的320 400萬腦血管病重殘患 者為例，平衡功能障礙是主要致殘因素之一。多個循證醫(yī)學證據(jù)表明，平衡功能練習是改善 功能障礙的重要方式。對于平衡功能障礙患者來說，運動協(xié)調能力訓練可以改善神經系統(tǒng)募集運動單位 的機能能力，改善對抗肌之間及肌纖維之間的協(xié)調關系，提高肌肉收縮力量的效能，有利于 獲得更高的訓練效應，完成一定的操作技能。運動協(xié)調能力包括手-腳之間的協(xié)調能力。人 體在利用手腳進行有目的的相關操作過程中，手、腳動作與目測的信息進行匹配，匹配的準 確性、敏捷性、連貫性極大地依賴于人的協(xié)調能力，因此手腳協(xié)調能力訓練意義重大。國內外平衡訓練系統(tǒng)發(fā)展多年，下肢康復產品品種繁多，如=Ultracare和Biodex 平衡測試訓練系統(tǒng)，但不足之處是訓練功能單一，尤其缺乏手腳協(xié)調訓練功能。目前康復功能訓練產品的第二大缺點是訓練趣味性不夠，缺乏視覺、聽覺反饋系 統(tǒng)，造成患者和康復儀器之間互動困難，容易使患者對長期的重復簡單動作產生厭煩和抵 觸情緒，無法激發(fā)患者訓練的興趣，影響康復進程。目前康復訓練產品的第三大缺點是減重方式不合理，主要使用懸吊設備進行減重 訓練。懸吊設備使用懸吊帶向上牽引患者體重，需束縛患者軀干部，操作較繁瑣，且易帶來 患者不適，若要患者控制重心移動，尤為困難。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的，就是為了解決上述問題，提供一種減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置。為了達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案一種減重式手腳協(xié)調趣味訓練 裝置，包括訓練床、手動控制裝置、控制箱、主控計算機、患者用顯示裝置和主顯示屏；訓練床包括床座、床架和床板，床架安裝在床座上并與床座可轉動相連，在床架的 前端連接有左、右腳踏板組件，在左右腳踏板組件上分別設有左右足底壓力傳感裝置，在床 架與床座之間設有床板角度調節(jié)機構，該床板角度調節(jié)機構包含一臺直線步進電機；手動控制裝置連接在床架的一側；控制箱內設有傳感裝置接口電路、手動控制裝置信號處理電路和電機驅動模塊； 傳感裝置接口電路與左右足底壓力傳感裝置電信號相連，手動控制裝置信號處理電路和手 動控制裝置信號相連，電機驅動模塊與床板角度調節(jié)機構中的直線步進電機電信號相連；主控計算機設置在操作臺上，主控計算機內設有數(shù)據(jù)采集模塊和運動控制模塊， 數(shù)據(jù)采集模塊與控制箱中的傳感裝置接口電路電信號相連，運動控制模塊與控制箱中的電CN 102039028 A說明書2/6頁機驅動模塊電信號相連；主控計算機的串口與控制箱中的手動控制裝置信號處理電路電信 號相連；患者用顯示裝置活動設置在訓練床的旁邊并與主控計算機電信號相連；主顯示屏設置在操作臺上并與主控計算機電信號相連。所述的左、右腳踏板組件結構對稱相同，各包括腳踏板支架、腳前端緩沖器、腳后 跟導向軸和腳踏板；腳踏板支架與床架固定相連；腳前端緩沖器和腳后跟導向軸分別連接 在腳踏板與腳踏板支架之間；在腳踏板周圍設有足底壓力傳感裝置，足底壓力傳感裝置與 控制箱內的傳感裝置接口電路電信號相連。足底壓力傳感裝置由貼有四根應變片的懸臂梁 組成，貼有四根應變片的懸臂梁插裝在由腳踏板、腳踏板支架、腳前端緩沖器和腳后跟導向 軸組成的腳底受力部件內。四個足底壓力傳感裝置的安裝方法是首先找到正常靜止不動時 重心投影作為傳感裝置的中心位置，然后放置相應的四個足底壓力傳感裝置。所述的手動控制裝置包括固定支架、橫桿、水平連桿、豎直連桿、支撐底座和游戲 操作柄，固定支架固定安裝在床架的一側，橫桿活動套裝在固定支架上可以上下升降和水 平轉動，水平連桿與橫桿套接相連可以水平伸縮，豎直連桿與水平連桿活動相連可以繞水 平連桿沿豎直方向轉動，支撐底座與豎直連桿固定相連，游戲操作柄安裝在支撐底座上，在 支撐底座上還安裝有游戲開始按鍵和游戲結束按鍵，游戲開始按鍵和游戲結束按鍵分別與 控制箱電信相連，并通過串口線連接到主控計算機。所述的訓練床的床座上安裝有多個萬向調節(jié)腳輪，并相應設有多個用于調節(jié)腳輪 上下伸縮的調節(jié)機構。所述的訓練床還包括床板角度顯示器，該床板角度顯示器安裝在床架上隨床架一 起移動。減重式手腳協(xié)調康復趣味訓練軟件是一套打飛機游戲軟件，安裝在主控計算機 上，軟件功能包含趣味訓練和靜態(tài)姿勢圖測試結果查看等功能，趣味訓練模塊提供不同難 度的虛擬現(xiàn)實的打飛機游戲過程，測試查看模塊專供醫(yī)生查看和分析在游戲過程中左右腳 對左右腳踏板的壓力平均值和各項靜態(tài)姿勢圖參數(shù)。本發(fā)明減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置具有以下特點1、本發(fā)明中的手動控制裝置具有折疊收放功能，通過轉動橫桿等機構實現(xiàn)，方便 患者上下床。同時該手動裝置具有左右、前后、上下位置調節(jié)功能以適合身高及臂長不同的 各種患者。2、本發(fā)明中的手動控制裝置一端固定在訓練床的一側，另一端位于患者前方，便 于患者用手操作。手動控制裝置包含手動游戲操作柄和兩個按鍵及相關接口電路，通過患 者推動游戲操作柄至相關武器選擇擋位，完成游戲武器類型選擇、按下游戲操作柄進行武 器發(fā)射操作，同時生成相關控制信號，實時發(fā)送到主控計算機，參與游戲過程。兩個按鍵分 別完成游戲開始和游戲結束動作，方便患者控制，游戲開始和游戲結束也可由主控計算機 控制。3、游戲中患者根據(jù)敵機和敵機發(fā)射炮彈的方位來控制雙下肢重心投影位置和移 動方向，同時推動游戲操作柄至相關的武器選擇擋位，選擇武器類型并發(fā)射炮彈，努力殲滅 敵機，移動我方戰(zhàn)機位置以躲避敵機的炮彈，還要盡量避免與敵機相撞，減少我方戰(zhàn)機損失 數(shù)量?；颊咧鲃涌刂谱笥蚁轮挠昧?，調節(jié)人體重心在游戲中的位置，手腳協(xié)調并用，盡可能擊中敵機，同時維持站立平衡，在訓練下肢平衡的同時合理地訓練了患者的手腳協(xié)調能 力。4、本發(fā)明的裝置中設有背部支撐減重方式，實現(xiàn)了患者訓練強度可調。5、本發(fā)明的游戲綜合手腳協(xié)調、視覺、聽覺融合的訓練效果，提高患者康復訓練趣 味性和真實性。6、本發(fā)明綜合打飛機游戲測試結果，可供醫(yī)生查看和分析在打飛機游戲過程中左 右腳對左右腳踏板的壓力平均值和各項靜態(tài)姿勢圖參數(shù)。


圖1是本發(fā)明中的減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置的整體結構示意圖；圖2是手動控制裝置示意圖；圖3是手動控制裝置的局部結構示意圖；圖4是足底壓力傳感裝置放置位置示意圖。
具體實施例方式參見圖1，配合參見圖2、圖3、圖4，本發(fā)明中的減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置，包 括訓練床1、控制箱2、主控計算機3、患者用顯示裝置4、主顯示屏5和手動控制裝置16?？?制箱2安裝在訓練床的床座11上，主控計算機3設置在操作臺(操作臺未圖示出來)上， 患者用顯示裝置4活動設置在訓練床的旁邊并與主控計算機電信號相連，主顯示屏5設置 在操作臺上并與主控計算機電信號相連。訓練床1包括床座11、床架12和床板13，床架12安裝在床座11上，與床座11通 過轉軸6可轉動相連，并通過兩頂桿9 (分別設置在兩側)支撐在床座11上方。床板13固 定在床架12上，在床架12的前端連接有左、右腳踏板組件14，手動控制裝置16連接在訓練 床上。在床架12與床座11之間設有床板角度調節(jié)機構15，該床板角度調節(jié)機構包含一臺 直線步進電機。在訓練床的床座11上安裝有多個萬向調節(jié)腳輪111，并相應設有多個用于 調節(jié)腳輪上下伸縮的調節(jié)機構112。在床架12上還安裝有床板角度顯示器8，床板角度顯 示器8隨床架12 —起移動用于顯示床架12及床板13傾斜的角度。左、右腳踏板組件14結構對稱相同，各包括腳踏板支架141、腳前端緩沖器142、腳 后跟導向軸143和腳踏板144。腳踏板支架141與床架12固定相連；腳前端緩沖器142和 腳后跟導向軸143分別連接在腳踏板144與腳踏板支架141之間。在腳踏板144周圍設有 足底壓力傳感裝置，該足底壓力傳感裝置由貼有四根應變片的懸臂梁組成，貼有四根應變 片的懸臂梁插裝在由腳踏板、腳踏板支架、腳前端緩沖器和腳后跟導向軸組成的腳底受力 部件內，并分別與控制箱2內的傳感裝置接口電路電信號相連。足底壓力傳感裝置的安裝 位置如圖4所示，F(xiàn)a、Fb, Fc, Fd分別表示四個足底壓力傳感裝置的安裝位置的受力，0為四 個足底壓力傳感裝置的中心點，將正常人靜止不動時重心投影作為傳感裝置的中心點0，然 后放置相應的四個足底壓力傳感裝置(正常重心投影零位與四個足底壓力傳感裝置的中 心點重合)。L為四個足底壓力傳感裝置的中心點在X軸上到傳感裝置的距離，M為四個足 底壓力傳感裝置的中心點在Y軸上到傳感裝置的距離?？刂葡?安裝在訓練床的床座11上，控制箱內設有傳感裝置接口電路、電機驅動模塊和電源模塊(未圖示出來)，電源模塊分別為傳感裝置接口電路和電機驅動模塊提供 電源；電機驅動模塊與床板角度調節(jié)機構中的直線步進電機電信號相連。主控計算機3設置在操作臺(操作臺未圖示出來)上，與主顯示屏5電信號相連。 主控計算機內集成數(shù)據(jù)采集模塊、運動控制模塊，并設有相應的減重式手腳協(xié)調趣味訓練 軟件。手動控制裝置16固定在訓練床上，折疊放置在訓練床架的一側，需要時可伸展至 患者前方，便于患者用手操作。手動控制裝置包含手動游戲操作柄和兩個按鍵及相關接口 電路，通過患者推動游戲操作柄至相關武器選擇擋位，完成游戲武器類型選擇、按下游戲操 作柄進行武器發(fā)射操作，同時生成相關控制信號，實時發(fā)送到主控計算機，參與游戲過程。 兩個按鍵分別完成游戲開始和游戲結束動作，方便患者控制，游戲開始和游戲結束也可由 主控計算機控制。該手動控制裝置16分為5個模塊固定架161、轉動橫桿162、水平桿163、豎直桿 164和終端機構165。固定架161用于固定手動控制裝置，包含與床連接的固定塊1611及 向上豎起的直桿1612;轉動橫桿162用于調節(jié)游戲柄的上下高度，包含中空橫桿1621、上下 套筒1622、高度固定螺栓1623及左右長度固定螺栓1624、出線引導孔1625 ；水平桿163用 于調節(jié)游戲柄的左右水平位置，包含進線孔1631、出線孔1632、豎直桿轉動角度固定螺栓 1633 ；豎直桿164用于調節(jié)游戲柄的左右傾斜角度，包含進線孔1641、出線孔1642、定位臺 階1643 ；終端機構165用于安裝固定游戲柄、安裝游戲開始及結束按鈕，并調節(jié)游戲柄的前 后傾斜角度，包含底座1651、套筒1652、底座傾角調節(jié)螺栓1653、游戲操作手柄1654、游戲 開始按鈕1655、游戲結束按鈕1656。該手動控制裝置的5個模塊順序連接，最終游戲操作柄的采用如下的順序被予以 固定終端機構165上的游戲操作柄16M固定在底座1651上，終端機構165通過其上的套 筒1652固定到豎直桿164的終端上，164的另一端通過旋緊螺栓1632套入水平桿163內。 水平桿163又被套入中空的轉動橫桿162內，通過旋緊螺栓16M固定。轉動橫桿162通過 其上的上下套筒1622套入固定架161的豎起直桿1612上并由螺栓1623鎖定。固定架161 通過其上的固定塊1611經螺栓固定在床架12上，位置在床的中間，左側或右側均可。該手動控制裝置具有折疊收放功能，可方便患者上下床。通過擰松螺栓1623轉動 162使該結構移離床面的位置，后由螺栓1623鎖緊固定。該手動控制裝置中的游戲操作柄具有左右、前后、上下位置調節(jié)功能，適合身高及 臂長不同的各種患者。游戲操作柄左右調節(jié)調節(jié)通過松掉螺栓1624，拉出或推進163到合 適位置，再次旋緊16M即可實現(xiàn)。游戲操作柄前后調節(jié)通過松掉螺栓1623，旋轉162到合 適的位置并旋緊，然后松掉螺栓1632向反方向轉動適當角度即可。游戲操作柄上下調節(jié)通 過松掉螺栓1623，上下移動162到合適高度，再次旋緊螺栓1623即可。該手動控制裝置中的游戲操作柄16M具有全方位角度調節(jié)功能，游戲操作柄的 前后仰角調節(jié)通過松掉螺栓1653，旋轉游戲操作柄16M的底座1651到合適前后角度，鎖緊 螺栓1653實現(xiàn)。游戲操作柄的左右仰角通過松掉螺栓1632，旋轉豎直桿164到合適角度， 再次鎖緊螺栓1632實現(xiàn)。該手動控制裝置中的游戲操作柄的信號線通過中空的豎直桿164的下入口 1641 進入，信號線經由豎直桿164的出1642進入中空的水平桿163的入口 1631中，再經由水平桿163的的出1632進入轉動橫桿162中，經由轉動橫桿162的出口 1625進入床下的控制箱。患者用顯示裝置4活動設置在訓練床1的旁邊并與主控計算機3電信號相連，該 患者用顯示裝置4包括移動小車41、安裝在移動小車上的支架42和安裝在支架上的顯示屏 43，顯示屏與支架活動連接，顯示屏的高度和角度可以調節(jié)。減重式手腳協(xié)調康復趣味訓練軟件是一套打飛機游戲軟件，軟件基于上述足底壓 力傳感裝置采集以及處理(通過數(shù)據(jù)采集裝置)，在主控計算機中形成下肢平衡康復訓練 參數(shù)數(shù)據(jù)。手動控制裝置的控制信號通過串口反饋主控計算機，與下肢平衡康復訓練信號 形成手腳協(xié)調信號處理。本發(fā)明減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置的使用方法如下1、讓患者傾斜躺在訓練床上，并讓其左右腳分別踩在左右腳踏板上，使左右腳踏 板處于同一水平面上；2、根據(jù)患者的實際情況確定所需的減重重量，通過調節(jié)訓練床的傾斜角度以實現(xiàn) 不同程度減重；3、計算機進入手腳協(xié)調康復趣味訓練模塊，患者根據(jù)主控計算機中的打飛機游戲 要求，控制左右下肢的用力，調節(jié)人體重心投影在屏幕中相應位置移動，維持站立平衡，同 時與手動操作協(xié)調，擊中飛機。本發(fā)明中的減重式手腳協(xié)調趣味訓練軟件具體實施包括以下內容a.趣味功能訓練模塊的打飛機游戲軟件，設定合適的游戲時間，讓患者根據(jù)我方 戰(zhàn)機的位置(人體重心投影)，實時調節(jié)雙下肢用力中心位置，控制我方戰(zhàn)機上下左右方向 移動，在合適位置殲滅敵機并躲避敵機的炮彈并避免與敵機相撞，同時用手控制游戲操作 柄選擇武器類型并發(fā)射炮彈，打擊敵機，訓練成績以擊落敵機架數(shù)和擁有生命點數(shù)評定。b.患者游戲過程中的重力投影的獲取過程一般人體重心(center of gratitude, COG)在第二骶骨前，該系統(tǒng)中的重心投影指的是人體重心在腳踏板上的投影， 又由于人體處于站立平衡游戲過程中側向力很小，因此人體重心投影位置測試原理就可以 簡化為χ = (Fa+Fb-Fc-Fd) · L/Gy = (Fb+Fd-Fa-Fc) · M/G式中，L為四個足底壓力傳感裝置的中心點在X軸上到傳感裝置的距離，M為四個 足底壓力傳感裝置的中心點在Y軸上到傳感裝置的距離，G為減重后的患者人體的重量，F(xiàn)a、 Fb, Fc, 分別為四個足底壓力傳感裝置的讀數(shù)；所述的正常重心投影零位即四個足底壓力 傳感裝置的中心點。C、患者游戲過程中的手部游戲信號的獲取過程手動控制裝置包含游戲操作柄和 兩個按鍵，游戲操作柄用于選擇并發(fā)射機關炮、導彈和散彈槍三種武器，兩個按鍵分別控制 游戲開始、游戲結束。這些選擇信號，通過信號線連到控制箱，經過手動控制裝置信號處理 電路和接口電路模塊，將手動操作柄等信號經串口連接線實時送主控計算機，患者所選擇 武器類型和兩個按鍵狀態(tài)在界面上同步顯示，便于醫(yī)生觀察了解。d.測試結果查看功能實現(xiàn)過程測試結果查看功能以柱狀圖形式顯示左右腳對 左右腳踏板的壓力平均值和各項靜態(tài)姿勢圖參數(shù)，專供醫(yī)生查看分析額狀面擺動頻率、平均重心、額狀面最大擺幅、額狀面平均擺幅、重心移動軌跡總長度、重心移動軌跡總面積和 額狀面?zhèn)确綌[速等參數(shù)。 本發(fā)明的減重式手腳協(xié)調康復趣味訓練裝置，提供手腳并用互動的訓練平臺，使 患者在背部支撐減重輔助下，利用視覺、聽覺反饋輕輕松松玩游戲，有利于分散患者注意 力，減少患者的訓練枯燥感，接受長期的訓練，達到促進患者康復的目的。
權利要求
1.一種減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置，其特征在于包括訓練床、手動控制裝置、控制 箱、主控計算機、患者用顯示裝置和主顯示屏；訓練床包括床座、床架和床板，床架安裝在床座上并與床座可轉動相連，在床架的前端 連接有左、右腳踏板組件，在左右腳踏板組件上分別設有左右足底壓力傳感裝置，在床架與 床座之間設有床板角度調節(jié)機構，該床板角度調節(jié)機構包含一臺直線步進電機；手動控制裝置連接在床架的一側；控制箱內設有傳感裝置接口電路、手動控制裝置信號處理電路和電機驅動模塊；傳感 裝置接口電路與左右足底壓力傳感裝置電信號相連，手動控制裝置信號處理電路和手動控 制裝置信號相連，電機驅動模塊與床板角度調節(jié)機構中的直線步進電機電信號相連；主控計算機設置在操作臺上，主控計算機內設有數(shù)據(jù)采集模塊和運動控制模塊，數(shù)據(jù) 采集模塊與控制箱中的傳感裝置接口電路電信號相連，運動控制模塊與控制箱中的電機驅 動模塊電信號相連；主控計算機的串口與控制箱中的手動控制裝置信號處理電路電信號相 連；患者用顯示裝置活動設置在訓練床的旁邊并與主控計算機電信號相連；主顯示屏設置在操作臺上并與主控計算機電信號相連。
2.如權利要求1所述的減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置，其特點在于所述的左、右腳 踏板組件結構對稱相同，各包括腳踏板支架、腳前端緩沖器、腳后跟導向軸和腳踏板；腳踏 板支架與床架固定相連；腳前端緩沖器和腳后跟導向軸分別連接在腳踏板與腳踏板支架之 間；在腳踏板周圍設有足底壓力傳感裝置，足底壓力傳感裝置與控制箱內的傳感裝置接口 電路電信號相連。
3.如權利要求2所述的減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置，其特點在于所述的足底壓力 傳感裝置由貼有四根應變片的懸臂梁組成，貼有四根應變片的懸臂梁插裝在由腳踏板、腳 踏板支架、腳前端緩沖器和腳后跟導向軸組成的腳底受力部件內。
4.如權利要求1所述的減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置，其特點在于所述的手動控制 裝置包括固定支架、橫桿、水平連桿、豎直連桿、支撐底座和游戲操作柄，固定支架固定安裝 在床架的一側，橫桿活動套裝在固定支架上可以上下升降和水平轉動，水平連桿與橫桿套 接相連可以水平伸縮，豎直連桿與水平連桿活動相連可以繞水平連桿沿豎直方向轉動，支 撐底座與豎直連桿固定相連，游戲操作柄安裝在支撐底座上，在支撐底座上還安裝有游戲 開始按鍵和游戲結束按鍵，游戲開始按鍵和游戲結束按鍵分別與控制箱電信相連，并通過 串口線連接到主控計算機。
5.如權利要求1所述的減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置，其特點在于所述的訓練床的 床座上安裝有多個萬向調節(jié)腳輪，并相應設有多個用于調節(jié)腳輪上下伸縮的調節(jié)機構。
6.如權利要求1所述的減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置，其特點在于所述的訓練床還 包括床板角度顯示器，該床板角度顯示器安裝在床架上隨床架一起移動。
7.如權利要求1所述的減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置，其特點在于所述的主控計算 機內設有減重式手腳協(xié)調趣味訓練軟件，該軟件是一套打飛機游戲軟件，軟件包含功能訓 練模塊和靜態(tài)姿勢圖測試結果查看等功能。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種減重式手腳協(xié)調趣味訓練裝置，該裝置包括訓練床、手動控制裝置，控制箱、主控計算機、患者用顯示裝置和主顯示屏；在床架與床座之間設有床板角度調節(jié)機構，實現(xiàn)各種不同程度的背部支撐減重。訓練床的一端設有左右腳踏板組件等下肢平衡訓練機構；床架一側設有手動控制裝置，手動控制與下肢平衡訓練結合實現(xiàn)手腳協(xié)調訓練?；颊唢@示裝置主要實時顯示游戲過程，實現(xiàn)游戲互動。主顯示屏提供訓練參數(shù)及靜態(tài)姿勢圖，供醫(yī)生參考。該裝置首次將手腳協(xié)調訓練應用于下肢康復訓練領域，使患者在任意減重程度下，利用視覺、聽覺反饋做游戲，提高患者的綜合康復訓練能力。
文檔編號A63B23/035GK102039028SQ200910174830
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月17日 優(yōu)先權日2009年10月17日
發(fā)明者劉穎, 安美君, 崔海坡, 徐秀林, 王紅梅, 胡秀枋, 趙展, 鄒任玲 申請人:上海理工大學