專利名稱：一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)學(xué)動物實(shí)驗(yàn)設(shè)備，更具體地說是涉及一種多功能動物減重訓(xùn)練 跑臺及其控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
脊髓損傷是一種常見的疾病，多見于車禍、跌倒、運(yùn)動創(chuàng)傷、擠壓傷和槍傷，在造成 患者肢體感覺、運(yùn)動功能障礙等生理損傷的同時(shí)，還給個人心理帶來嚴(yán)重的壓力，對其回歸 社會有很大的影響。因此，采取積極有效的訓(xùn)練方法促進(jìn)患者行走能力的恢復(fù)是非常必要 的，目前臨床治療方法主要有功能性電刺激、減重療法和藥物干預(yù)等。隨著康復(fù)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的減重療法在臨床上已得到越來越廣泛的應(yīng)用。減重 療法是指在訓(xùn)練治療過程中，通過減重支持裝置減少患者下肢(對于動物來說是后肢)的 負(fù)重，并將步行三要素(負(fù)重、邁步、平衡)有機(jī)地結(jié)合起來，促進(jìn)正常步態(tài)模式的建立，激 發(fā)治療信心。減重療法的最終目的是幫助患者恢復(fù)肌體組織的運(yùn)動機(jī)能，改善其運(yùn)動功能。 已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道減重療法在恢復(fù)步行能力、糾正步態(tài)、改善平衡及減輕肌肉痙攣等方 面有很大優(yōu)勢，不僅降低了治療師的工作強(qiáng)度，而且提高了治療安全性。近年來將減重療法 與其它治療方法(功能性電刺激、藥物治療等)相結(jié)合的組合療法逐漸成為研究熱點(diǎn)。迄 今為止，減重及其組合療法主要用于脊髓損傷患者和中風(fēng)患者，也可用于骨折、關(guān)節(jié)疾病、 截癱等下肢運(yùn)動功能障礙患者。脊髓硬膜外電刺激是由功能電刺激發(fā)展而來的新技術(shù)，國 外研究人員將脊髓硬膜外電刺激與減重療法相結(jié)合，用于不完全脊髓損傷患者行走功能的 康復(fù)，臨床實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，這一新的組合療法具有提高不完全脊髓損傷患者康復(fù)后行 走能力和調(diào)節(jié)運(yùn)動能量代謝的功能。盡管減重和脊髓硬膜外電刺激組合的新療法在實(shí)驗(yàn)研究和臨床應(yīng)用領(lǐng)域有著不 可低估的重要地位，但其確切作用機(jī)制至今仍未完全闡明，大大阻礙了該療法廣泛用于不 完全脊髓損傷患者行走功能的臨床康復(fù)治療，因此需通過動物實(shí)驗(yàn)研究該療法最基本的神 經(jīng)機(jī)制，并指導(dǎo)臨床應(yīng)用。為了開展動物實(shí)驗(yàn)研究，需開發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺，對實(shí)驗(yàn)動物實(shí)施減重訓(xùn)練。大鼠 基因與人類基因較相似，醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究通常采用大鼠作為實(shí)驗(yàn)動物，因此本發(fā)明所研制的 多功能動物跑臺主要用于對大鼠不完全脊髓損傷后實(shí)施減重訓(xùn)練，促進(jìn)其后肢運(yùn)動功能恢復(fù)。中國專利(申請?zhí)?200910095261. 5)公開一種大鼠水中跑臺，可對水中平板步行 訓(xùn)練療法治療脊柱骨髓損傷的效果和機(jī)制進(jìn)行動物模擬實(shí)驗(yàn)，其中包括一個箱體和電動跑 道，箱體內(nèi)有一密封的內(nèi)容腔，可將水倒入其內(nèi)，同時(shí)，電動跑道兩側(cè)設(shè)有護(hù)欄，可防止大鼠 跑出跑道。該跑臺提供一種動物水中平板步行訓(xùn)練環(huán)境，功能單一，無法模擬陸地步行訓(xùn)練 環(huán)境，不適用于減重及其組合療法的動物實(shí)驗(yàn)，并且沒有康復(fù)機(jī)械手輔助不完全脊髓損傷 大鼠的后肢運(yùn)動訓(xùn)練。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺，該動物跑臺采用減重支持裝置給大鼠提供一個向上的拉力，以減輕動物后肢負(fù)重，并用康復(fù)機(jī)械手輔助動物后肢進(jìn) 行特定的跑臺訓(xùn)練，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)動物脊髓損傷后的行走功能恢復(fù)，也可提供運(yùn)動醫(yī)學(xué) 研究所需的動物跑臺訓(xùn)練。一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺，包括跑步機(jī)，用于實(shí)驗(yàn)動物的運(yùn)動訓(xùn)練；減重支 持裝置，用于為實(shí)驗(yàn)動物提供減重支持；和康復(fù)機(jī)械手，用于輔助上述實(shí)驗(yàn)動物的運(yùn)動訓(xùn)練。本發(fā)明所述的提供減重支持具體為固定所述實(shí)驗(yàn)動物的軀干，使其在跑步機(jī)上 保持一定的站立姿勢，并通過給其提供一個向上的拉力，減輕其后肢的負(fù)重。本發(fā)明所述的減重支持裝置包括鋁片，調(diào)節(jié)桿，內(nèi)部具有彈簧的圓筒，拉力傳感 器，螺紋桿，第二電動推桿以及門形框架；鋁片上安裝吊帶背心，用于固定所述實(shí)驗(yàn)動物的軀干，鋁片通過調(diào)節(jié)桿與圓筒內(nèi) 的彈簧連接，所述的拉力傳感器用來測量減重支持裝置給所述實(shí)驗(yàn)動物提供的減重重量， 其上下兩端通過螺紋桿分別與第二電動推桿和圓筒內(nèi)的彈簧連接，所述的第二電動推桿垂 直固定安裝在門形框架上部，所述的門形框架固定安裝在所述的跑步機(jī)上。本發(fā)明所述鋁片內(nèi)側(cè)面與所述跑步機(jī)上的跑帶表面的夾角通過所述調(diào)節(jié)桿調(diào)節(jié)。本發(fā)明所述的康復(fù)機(jī)械手通過其連桿機(jī)構(gòu)末端的連接件與動物后肢連接，在所述 的連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下，帶動實(shí)驗(yàn)動物后肢實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的兩自由度運(yùn)動。本發(fā)明所述的連桿機(jī)構(gòu)包括第一主動桿、第二主動桿，第一從動桿，第二從動桿， 第三從動桿和一個三角形桿，所述的第一主動桿、第二主動桿分別安裝在兩個直流電機(jī)的 轉(zhuǎn)軸上，由直流電機(jī)直接驅(qū)動，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，第一主動桿帶動三個從動桿和三角形桿產(chǎn) 生相應(yīng)運(yùn)動，第二主動桿帶動第二和第三從動桿產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動，通過對兩個電機(jī)的協(xié)調(diào)控 制，使第三從動桿末端帶動所述實(shí)驗(yàn)動物后肢實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的兩自由度運(yùn)動。本發(fā)明所述的跑步機(jī)的跑道傾角能夠通過安裝在跑道下部的跑道角度調(diào)節(jié)裝置 進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明所述的康復(fù)機(jī)械手能夠?qū)Ρ粍舆\(yùn)動訓(xùn)練一段時(shí)間后的后肢運(yùn)動功能障礙 動物的后肢運(yùn)動功能進(jìn)行定量評價(jià)，即讓所述后肢運(yùn)動功能障礙動物的后肢做主動運(yùn)動， 而康復(fù)機(jī)械手不提供輔助力，僅跟隨該主動運(yùn)動，通過角度傳感器記錄該康復(fù)機(jī)械手的運(yùn) 動軌跡，即能夠用于定量評價(jià)所述后肢運(yùn)動功能障礙動物的運(yùn)動功能。本發(fā)明所述的跑臺不包括康復(fù)機(jī)械手。一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺的控制系統(tǒng)，包括角度傳感器、拉力傳感器、信號預(yù) 處理電路、A/D采集電路、控制器和上位機(jī)，角度傳感器和拉力傳感器分別用于測量康復(fù)機(jī)械手的位置和減重支持裝置提供 的減重支持，上述信號預(yù)處理電路、A/D采集電路、控制器組成的控制電路對上述角度傳感 器和拉力傳感器的測量信號進(jìn)行處理并控制電機(jī)的運(yùn)行，上位機(jī)用于設(shè)定初始參數(shù)、記錄 和顯示康復(fù)機(jī)械手的運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)并對康復(fù)效果進(jìn)行分析評價(jià)。本發(fā)明提供的動物減重訓(xùn)練跑臺及其控制系統(tǒng)既可對實(shí)驗(yàn)動物進(jìn)行單一的跑臺訓(xùn)練，又可以將跑步訓(xùn)練與電刺激結(jié)合起來使用。同時(shí)，由于本發(fā)明提供了一種減重支持裝置，因此可對具有后肢運(yùn)動功能障礙的實(shí)驗(yàn)動物實(shí)施跑臺訓(xùn)練和減重支持相結(jié)合的減重療 法，還能為減重與藥物、脊髓硬膜外電刺激等組合的新療法提供先進(jìn)的動物實(shí)驗(yàn)手段。另 夕卜，在減重訓(xùn)練過程中，康復(fù)機(jī)械手可輔助不完全脊髓損傷實(shí)驗(yàn)動物的后肢運(yùn)動訓(xùn)練，既可 為被動運(yùn)動訓(xùn)練模式提供特定的訓(xùn)練任務(wù)，又能在主動訓(xùn)練模式下記錄實(shí)驗(yàn)動物后肢的運(yùn) 動軌跡。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例跑步機(jī)的主視圖1 ；圖2為本發(fā)明實(shí)施例跑步機(jī)的主視圖2 ；圖3為本發(fā)明實(shí)施例跑步機(jī)的右視圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例減重支持裝置主視圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例康復(fù)機(jī)械手主視圖1 ；圖6為本發(fā)明實(shí)施例康復(fù)機(jī)械手主視圖2 ；圖7為本發(fā)明實(shí)施例具有透明有機(jī)玻璃擋板的跑臺主視立體圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例具有減重支持裝置的跑臺主視立體圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例具有減重支持裝置和康復(fù)機(jī)械手輔助的跑臺主視立體圖；圖10為本發(fā)明實(shí)施例跑臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為本發(fā)明實(shí)施例康復(fù)機(jī)械手輔助大鼠后肢訓(xùn)練的控制流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1 6所示，多功能動物減重訓(xùn)練跑臺包括跑步機(jī)(圖1 3)、減重支持裝置 (圖4)和康復(fù)機(jī)械手三部分(圖5、6)。圖7為具有透明有機(jī)玻璃擋板和刺激電極跑臺機(jī) 械結(jié)構(gòu)圖，圖8為具有減重支持裝置的跑臺結(jié)構(gòu)圖，圖9為具有減重支持裝置和康復(fù)機(jī)械手 輔助的跑臺結(jié)構(gòu)圖。各部分具體結(jié)構(gòu)如下。結(jié)合圖1 3，跑步機(jī)包括第一箱體1、電動跑道2及抽屜3。所述的第一箱體1上 的第一長條槽4用來固定減重支持裝置，所述的第一箱體1上的第二長條槽5用來固定康 復(fù)機(jī)械手。電動跑道2包括第二箱體6、滾軸固定塊8、主動滾軸9、從動滾軸10、跑帶12、電機(jī) 13、齒輪14和15、傳輸帶16以及跑道角度調(diào)節(jié)裝置19。第二箱體6上設(shè)有六個螺紋孔7， 用來固定安裝有機(jī)玻璃框架，第二箱體6的兩內(nèi)側(cè)各對稱安裝4個滾軸固定塊8，滾軸固定 塊8內(nèi)部均安有軸承，主動滾軸9和三個從動滾軸10的中軸分別與滾軸固定塊8內(nèi)的軸承 過盈配合裝配；為防止大鼠在跑帶上跑動時(shí)打滑，所述的跑帶12由表面富有抓地力的PVC 材料構(gòu)成；為防止跑帶12在主動滾軸9和從動滾軸10上左右滑動，所述的主動滾軸9和從 動滾軸10中間均設(shè)有小槽11，同時(shí)，所述的跑帶12與主動滾軸9和從動滾軸10接觸的一 面中間位置安裝一根導(dǎo)條，剛好卡在所述的小槽11內(nèi)。電機(jī)13安裝于箱體1內(nèi)部一側(cè)，其 具有調(diào)速范圍寬、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響；齒輪14與電 機(jī)13的轉(zhuǎn)軸連接，所述的齒輪15與主動滾軸9的中軸連接，兩個齒輪通過傳輸帶16配合運(yùn)動，當(dāng)電機(jī)13轉(zhuǎn)動時(shí)，主動滾軸9作為主動軸帶動從動滾軸10運(yùn)動；所述的主動滾軸9的中軸通過聯(lián)軸器17與角度傳感器18連接，用來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可以求出跑帶的速度。所述的跑道角度調(diào)節(jié)裝置19包括第一電動推桿20和固定裝置21，電動推桿20垂 直固定在第一箱體1底部，可以沿垂直于該第一箱體1底部的方向上下運(yùn)動，固定裝置21 固定在第二箱體6底部，呈凹槽型，用于容納第一電動推桿20的頂端，該固定裝置21凹槽 的兩側(cè)邊上分別設(shè)有第三長條槽22。電動跑道2的傾角通過第一電動推桿20的上下運(yùn)動 調(diào)節(jié)。當(dāng)電動跑道2調(diào)整到合適傾角后，將螺釘23插入第三長條槽22中，便可將第一電動 推桿20和固定裝置21鎖緊固定?？紤]到大鼠在訓(xùn)練過程中可能會大便，產(chǎn)生的垃圾將隨跑帶運(yùn)動而掉入跑步機(jī) 內(nèi)，難以清理，因而在所述的第二箱體6上對應(yīng)跑帶運(yùn)動的末端設(shè)有第四長條槽24，在該第 四長條槽24下方設(shè)計(jì)一個便于取出的抽屜3，用于盛裝和清除垃圾，抽屜3的下面安裝一個 U形底襯25，作為抽屜3的運(yùn)行軌道，抽屜3的外側(cè)安裝一個拉手26，便于取出抽屜。在本實(shí)施例中，為對脊髓損傷的大鼠進(jìn)行減重療法，設(shè)計(jì)了一套減重支持裝置，如 圖4所示。該減重支持裝置包括鋁片27，調(diào)節(jié)桿28和29，內(nèi)部具有彈簧的圓筒30，拉力傳 感器32，螺紋桿33和36，第二電動推桿34以及門形框架37。鋁片27上安裝吊帶背心，用 于固定大鼠軀干，鋁片27內(nèi)側(cè)面與跑帶12表面的夾角可通過調(diào)節(jié)桿28、29調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍 為0 90°，這樣大鼠可以保持不同的站立姿勢。所述的調(diào)節(jié)桿28下端與鋁片27連接，所 述的調(diào)節(jié)桿29上端與圓筒30內(nèi)的彈簧連接，當(dāng)鋁片27的內(nèi)側(cè)面與跑帶12表面的夾角調(diào) 整到適當(dāng)位置時(shí)，通過螺釘31將調(diào)節(jié)桿28和調(diào)節(jié)桿29鎖緊。S型拉力傳感器32用來測量 減重支持裝置給大鼠提供的減重重量，其上端通過螺紋桿33與第二電動推桿34的細(xì)桿35 連接，下端通過螺紋桿36與圓筒30內(nèi)的彈簧連接，所述的第二電動推桿34垂直固定安裝 在門形框架37上部。為了方便減重支持裝置的安裝與拆卸，在門形框架37上設(shè)有第一豎 直長條槽38，所述第一豎直長條槽38與第一箱體1上的第一長條槽4相滑移配合，通過螺 釘鎖緊。在本實(shí)施例中，所述的調(diào)節(jié)桿29與螺紋桿36之間通過圓筒30內(nèi)的彈簧連接，主 要是考慮到調(diào)節(jié)桿29、拉力傳感器32、螺紋桿33、35和電動推桿34等都為剛性結(jié)構(gòu)，當(dāng)鋁 片27的內(nèi)側(cè)面與跑帶12表面的夾角固定后，大鼠的站姿確定，在保證大鼠的后肢與跑帶12 表面接觸的前提下，剛性結(jié)構(gòu)不能給大鼠提供變化的拉力。加上彈簧后，減重支持裝置就可 以對同一站姿狀態(tài)下的大鼠提供不同的減重支持，以滿足不同實(shí)驗(yàn)要求。為防止彈簧在水 平方向有運(yùn)動，所述的彈簧套在圓筒30內(nèi)，圓筒30固定在板39上，板39固定在門形框架 37上。所述的圓筒30的長度大于所述的彈簧最大拉伸時(shí)的長度，這樣可將調(diào)節(jié)桿29上端 與螺紋桿36下端的一部分也套在圓筒30內(nèi)，即可確保彈簧伸縮變化時(shí)，整個減重支持裝 置的調(diào)節(jié)部分只具有豎直方向上的運(yùn)動，從而可以在大鼠后肢運(yùn)動訓(xùn)練過程中支撐腿變化 時(shí)，保持其身體平衡。在本實(shí)施例中，當(dāng)?shù)诙妱油茥U34上的控制電機(jī)40轉(zhuǎn)動時(shí)，第二電動推桿34的 細(xì)桿35可上下伸縮，使得彈簧拉伸長度發(fā)生變化，這樣彈簧間接施加于大鼠向上的拉力發(fā) 生變化，大鼠后肢的負(fù)重將隨之變化，即為大鼠提供的減重支持發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)過程中，可 根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定適當(dāng)?shù)臏p重重量，從而創(chuàng)造一個有利于不完全脊髓損傷大鼠運(yùn)動訓(xùn)練的環(huán)境。在本實(shí)施例中，為輔助不完全脊髓損傷的大鼠進(jìn)行后肢運(yùn)動訓(xùn)練，并記錄運(yùn)動軌 跡，設(shè)計(jì)了兩套康復(fù)機(jī)械手裝置，如圖5、6所示。每套康復(fù)機(jī)械手包括一套連桿機(jī)構(gòu)，兩個 連接軸49、兩個角度傳感器50、三個固定螺釘51、角度傳感器安裝板52和固定板53。連桿 機(jī)構(gòu)包括第一主動桿41、第二主動桿42，從動桿43、45、46和三角形桿44，各桿之間通過軸 承和圓鍵配合連接，保證連桿機(jī)構(gòu)緊湊，無間隙。所述的第一主動桿41和第二主動桿42分 別安裝在兩個直流電機(jī)47、48的轉(zhuǎn)軸上，由直流電機(jī)47、48直接驅(qū)動。電機(jī)47轉(zhuǎn)動時(shí)，第 一主動桿41帶動桿43、45、46和三角形桿44產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動；電機(jī)48轉(zhuǎn)動時(shí)，第二主動桿42 帶動桿45和46產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動。通過對兩個電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，可以使桿46末端帶動大鼠后 肢實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的兩自由度運(yùn)動。考慮到大鼠在跑帶上正常行走時(shí)，后肢除了具有矢狀面上的運(yùn)動外，還在冠狀面 內(nèi)有輕微的偏移，因此，在所述的桿46末端安裝一個鱷魚夾，其通過尼龍搭扣與大鼠后肢 的踝關(guān)節(jié)連接，使大鼠后肢在冠狀面內(nèi)可產(chǎn)生輕微的運(yùn)動，從而其運(yùn)動更接近自然步態(tài)。每個康復(fù)機(jī)械手的兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)軸分別通過兩個聯(lián)軸器49與兩個角度傳感器50 聯(lián)接，角度傳感器安裝板52用于固定安裝上述兩個角度傳感器50，角度傳感器安裝板52通 過固定螺釘51安裝在固定板53上。電機(jī)47、48轉(zhuǎn)動時(shí)，通過聯(lián)軸器49帶動角度傳感器50 轉(zhuǎn)動，從而可以測出桿41和桿42的相對于預(yù)先設(shè)定的基坐標(biāo)系的位置，進(jìn)而可以通過運(yùn)動 學(xué)方程求出康復(fù)機(jī)械手的桿46末端的位置。所述的固定板53上的第二豎直長條槽54與 第一箱體1上的第二長條槽5滑移配合，通過螺釘可以將康復(fù)機(jī)械手裝置與跑步機(jī)的第一 箱體1固定連接，并且便于拆卸。第二長條槽5與第二豎直長條槽54相互垂直設(shè)計(jì)，使得 固定板53在箱體1上水平和豎直方向的位置可調(diào)，從而可以調(diào)節(jié)康復(fù)機(jī)械手末端與跑帶12 表面的相對位置，以適應(yīng)不同大鼠的體型差異。圖7為具有透明有機(jī)玻璃擋板的跑臺機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。該跑步機(jī)裝置包括圖1所示的 跑步機(jī)、框架54和透明有機(jī)玻璃擋板55?？蚣?4通過螺釘56安裝于第二箱體6上，便于 拆卸?？蚣?4上的透明有機(jī)玻璃擋板55將跑帶12隔離成三個獨(dú)立的跑道區(qū)域，當(dāng)不采用 減重支持時(shí)，跑臺可以同時(shí)對三只大鼠進(jìn)行訓(xùn)練，所有訓(xùn)練條件相同，動物運(yùn)動互不影響。 在每個跑道區(qū)域的后壁玻璃上裝有一排刺激電極，刺激電流的幅值和頻率可調(diào)。當(dāng)大鼠不 跑或跑速低于實(shí)驗(yàn)要求時(shí)，大鼠就會觸到后壁板上的刺激電極而受到電刺激，被迫按照實(shí) 驗(yàn)要求的速度進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練。通過調(diào)節(jié)跑步機(jī)內(nèi)的電機(jī)13的轉(zhuǎn)速就可以使跑帶12達(dá)到實(shí) 驗(yàn)要求的速度，其速度在一定范圍內(nèi)無級可調(diào)。另外，跑道傾角也可在一定范圍內(nèi)通過跑道 角度調(diào)節(jié)裝置19進(jìn)行調(diào)節(jié)，傾角越大，大鼠訓(xùn)練的運(yùn)動負(fù)荷越大。該圖為不具有減重支持裝置和康復(fù)機(jī)械手輔助的跑臺裝置，其既可對大鼠進(jìn)行單 獨(dú)的跑臺訓(xùn)練，又可將跑臺訓(xùn)練與電刺激結(jié)合起來使用。實(shí)驗(yàn)過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè) 定不同的跑帶速度、跑道傾角和刺激電極的刺激電流強(qiáng)度，以滿足不同負(fù)荷的訓(xùn)練需求。圖8為具有減重支持裝置的跑臺結(jié)構(gòu)圖。該跑臺由圖1所示的跑步機(jī)57和圖4 所示的減重支持裝置58構(gòu)成，跑步機(jī)57第一箱體1上的水平第一長條槽4與減重支持裝 置58的門形框架37上的第一豎直長條槽38滑移配合，通過螺釘56鎖緊。對于不完全脊髓損傷后的大鼠，其后肢可能處于癱瘓狀態(tài)，無法承受身體的重量， 即使將其放在運(yùn)動的跑帶上，也不能完成運(yùn)動訓(xùn)練，在這種情況下，一種方法是可通過刺激電極刺激大鼠，促使其向前跑動，這種方法圖7已經(jīng)介紹；另一種方法是采用圖8所示的減重支持裝置固定大鼠的軀干，使其保持站立姿勢，在大鼠訓(xùn)練過程中支撐腿變化時(shí)，保持其 身體平衡，并通過對大鼠提供一個向上的拉力，減小大鼠后肢的承重，從而提供有利于不完 全脊髓損傷大鼠運(yùn)動訓(xùn)練的平臺。圖9為具有減重支持裝置和康復(fù)機(jī)械手輔助的跑臺結(jié)構(gòu)圖。該跑臺由圖1所示的 跑步機(jī)57和圖4所示的減重支持裝置58和兩套圖6所示的康復(fù)機(jī)械手裝置59構(gòu)成。減 重支持裝置58和左右兩側(cè)的康復(fù)機(jī)械手裝置59通過螺釘56固定在跑步機(jī)上。對于脊髓損傷導(dǎo)致后肢運(yùn)動功能障礙的大鼠，一旦運(yùn)動功能出現(xiàn)障礙，運(yùn)動意識 可能變?nèi)?，在減重條件下(圖8所示)后肢有可能仍然無法運(yùn)動，此時(shí)需要康復(fù)機(jī)械手59 輔助其后肢完成運(yùn)動訓(xùn)練?？祻?fù)機(jī)械手不僅可以輔助脊髓損傷的大鼠進(jìn)行減重跑臺訓(xùn)練， 而且可以記錄詳實(shí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，用于運(yùn)動功能的定量評價(jià)。本發(fā)明用于上述多功能動物減重訓(xùn)練跑臺的控制系統(tǒng)如圖10所示。該控制系統(tǒng) 包括角度傳感器、拉力傳感器、信號預(yù)處理電路、A/D采集電路、控制器DSP和上位機(jī)等。角度傳感器分別用來間接測量跑帶的速度和康復(fù)機(jī)械手主動桿相對于基坐標(biāo)系 的位置。包括五個角度傳感器，其中一個傳感器固定在跑步機(jī)的主動軸上，用來間接測量跑 帶的速度；另外四個角度傳感器分別固定在兩塊傳感器固定板上，角度傳感器的旋轉(zhuǎn)軸通 過聯(lián)軸器與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，用來測量電機(jī)轉(zhuǎn)軸的位置，即康復(fù)機(jī)械手主動桿的位置，然后 通過運(yùn)動學(xué)方程計(jì)算出康復(fù)機(jī)械手末端的位置。拉力傳感器安裝于減重支持裝置上，用來測量減重支持裝置給大鼠提供的減重支 持。信號預(yù)處理電路接收來自角度和拉力傳感器的信號，經(jīng)放大、濾波等處理后，通過 A/D采集電路送給控制器DSP。光電隔離電路將DSP輸出的相關(guān)數(shù)字信號與驅(qū)動電路的相關(guān)模擬信號隔離。驅(qū)動電路對經(jīng)過光電隔離電路后的相關(guān)控制信號進(jìn)行功率放大，用來驅(qū)動電機(jī)。控制器DSP接收拉力傳感器測量的動物減重重量和角度傳感器測量的跑帶速度、 康復(fù)機(jī)械手關(guān)節(jié)角度等數(shù)據(jù)，并與預(yù)定的期望數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，采用控制算法進(jìn)行計(jì)算處理， 輸出相關(guān)信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，以使輸出滿足控制要求。上位機(jī)提供動物康復(fù)訓(xùn)練VC界面，計(jì)算機(jī)與控制器通過USB 口進(jìn)行通訊。計(jì)算機(jī) VC界面可以傳輸控制命令，包括跑帶啟動、停止、速度設(shè)定、動物減重重量設(shè)置、康復(fù)機(jī)械手 輔助大鼠后肢訓(xùn)練時(shí)的步頻和訓(xùn)練時(shí)間設(shè)置等。另外，訓(xùn)練過程中，控制器DSP將拉力傳感 器測量的動物減重重量、角度傳感器測量的跑帶速度和康復(fù)機(jī)械手主動關(guān)節(jié)實(shí)際角度、預(yù) 定的期望角度等參數(shù)傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)用來記錄脊髓損傷的動物行走功能康復(fù)訓(xùn)練過程 中相關(guān)數(shù)據(jù)，并對康復(fù)效果進(jìn)行分析評價(jià)。相關(guān)數(shù)據(jù)包括動物后肢的當(dāng)前位置和運(yùn)動軌跡、 當(dāng)前運(yùn)動軌跡與期望運(yùn)動軌跡的偏差、各關(guān)節(jié)運(yùn)動的速度等。另外，外擴(kuò)FLASH存儲訓(xùn)練數(shù)據(jù)，鍵盤用來傳輸相關(guān)控制命令，包括跑帶啟動、停 止、速度設(shè)定、動物減重重量設(shè)置、康復(fù)機(jī)械手輔助大鼠后肢訓(xùn)練時(shí)的步頻和訓(xùn)練時(shí)間設(shè)置 等。液晶顯示屏用來顯示控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、跑帶的速度、大鼠的減重重量、康復(fù)機(jī)械手輔助 大鼠后肢訓(xùn)練時(shí)的步頻和訓(xùn)練時(shí)間等，這樣，跑臺的控制系統(tǒng)可以脫離上位機(jī)獨(dú)立使用。圖11為康復(fù)機(jī)械手輔助大鼠后肢訓(xùn)練的控制流程示意圖。當(dāng)大鼠在跑臺上進(jìn)行減重訓(xùn)練時(shí)，康復(fù)機(jī)械手可提供兩種訓(xùn)練模式(1)被動訓(xùn)練模式康復(fù)機(jī)械手抑制大鼠后肢產(chǎn)生的異常運(yùn)動，完全帶動后肢完 成正確或特定的訓(xùn)練任務(wù)；(2)主動運(yùn)動模式大鼠后肢運(yùn)動不受限制，康復(fù)機(jī)械手被動地跟隨后肢運(yùn)動，不提供輔助力。此時(shí)，康復(fù)機(jī)械手用來記錄大鼠后肢的運(yùn)動軌跡，用于運(yùn)動功能的定量評價(jià)。結(jié)合圖10和11，應(yīng)用上述多功能動物減重訓(xùn)練跑臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)動物減重跑臺訓(xùn)練 的方法具體步驟如下(1)通過上位機(jī)或鍵盤設(shè)定跑步機(jī)的跑帶速度、減重支持裝置提供的減重重量、康 復(fù)機(jī)械手輔助大鼠后肢訓(xùn)練時(shí)的步頻和訓(xùn)練時(shí)間等，并通過液晶或VC界面顯示。(2)采用減重支持裝置固定健康大鼠，其后肢在完全負(fù)重的狀態(tài)下進(jìn)行主動跑臺 訓(xùn)練，康復(fù)機(jī)械手僅跟隨后肢運(yùn)動，不提供輔助力，通過角度傳感器記錄康復(fù)機(jī)械手主動桿 的運(yùn)動軌跡，進(jìn)而通過運(yùn)動學(xué)方程求得大鼠后肢的運(yùn)動軌跡。當(dāng)具有后肢運(yùn)動功能障礙的 大鼠在跑臺上進(jìn)行被動運(yùn)動訓(xùn)練時(shí)，將多次重復(fù)記錄的健康大鼠運(yùn)動軌跡的平均值作為康 復(fù)機(jī)械手輔助后肢訓(xùn)練的期望運(yùn)動軌跡。另外，也可以給定一個特定的運(yùn)動軌跡作為康復(fù) 機(jī)械手輔助后肢訓(xùn)練的期望運(yùn)動軌跡。(3)在減重環(huán)境下，后肢運(yùn)動功能障礙的大鼠進(jìn)行被動運(yùn)動訓(xùn)練，康復(fù)機(jī)械手輔助 后肢完成正確(健康大鼠的運(yùn)動)或特定(給定的運(yùn)動)的訓(xùn)練任務(wù)。具體流程為角度傳 感器檢測康復(fù)機(jī)械手主動桿位置，采用運(yùn)動學(xué)處理得到康復(fù)機(jī)械手末端(即大鼠后肢)的 實(shí)際位置，將該實(shí)際位置與期望運(yùn)動位置的差值作為控制器的輸入，控制器進(jìn)行運(yùn)算處理 后，輸出安全范圍內(nèi)的相關(guān)控制信號，控制電機(jī)帶動康復(fù)機(jī)械手運(yùn)動，直到訓(xùn)練任務(wù)完成。(4)后肢運(yùn)動功能障礙的大鼠在康復(fù)機(jī)械手輔助下被動運(yùn)動訓(xùn)練一段時(shí)間后，后 肢運(yùn)動功能逐漸恢復(fù)。在減重環(huán)境下，大鼠的后肢做主動運(yùn)動，康復(fù)機(jī)械手僅跟隨后肢運(yùn) 動，不提供輔助力，通過角度傳感器記錄大鼠后肢的運(yùn)動軌跡，用于運(yùn)動功能的定量評價(jià)。上述實(shí)施例是針對大鼠設(shè)計(jì)的，當(dāng)用于體積較大的動物(如貓、兔等)或較小的動 物(如小鼠)時(shí)，只需將跑臺機(jī)械結(jié)構(gòu)的相關(guān)部分作適應(yīng)性的加大或減小即可。上述實(shí)施例不應(yīng)視為對本發(fā)明的限制，任何基于本發(fā)明的精神所作的改進(jìn)，都應(yīng) 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺，包括跑步機(jī)，用于實(shí)驗(yàn)動物的運(yùn)動訓(xùn)練；減重支持裝置，用于為實(shí)驗(yàn)動物提供減重支持；和，康復(fù)機(jī)械手，用于輔助實(shí)驗(yàn)動物的運(yùn)動訓(xùn)練。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺，其特征在于，所述的提供減 重支持具體為固定所述實(shí)驗(yàn)動物的軀干，使其在跑步機(jī)上保持一定的站立姿勢，并通過給 其提供一個向上的拉力，減輕其后肢的負(fù)重。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺，其特征在于，所述的減重 支持裝置包括鋁片(27)，調(diào)節(jié)桿(28，29)，內(nèi)部具有彈簧的圓筒(30)，拉力傳感器(32)，螺 紋桿(33，36)，第二電動推桿(34)以及門形框架(37)；鋁片(27)上安裝吊帶背心，用于固定所述實(shí)驗(yàn)動物的軀干，鋁片(27)通過調(diào)節(jié)桿(28， 29)與圓筒(30)內(nèi)的彈簧連接，所述的拉力傳感器(32)用來測量減重支持裝置給所述實(shí) 驗(yàn)動物提供的減重重量，其上下兩端通過螺紋桿(33，36)分別與第二電動推桿(34)和圓筒 (30)內(nèi)的彈簧連接，所述的第二電動推桿(34)垂直固定安裝在門形框架(37)上部，所述的 門形框架(37)固定安裝在所述的跑步機(jī)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺，其特征在于，所述鋁片(27) 內(nèi)側(cè)面與所述跑步機(jī)上的跑帶(12)表面的夾角通過所述調(diào)節(jié)桿(28，29)調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺，其特征在于，所述的 康復(fù)機(jī)械手通過其連桿機(jī)構(gòu)末端的連接件與動物后肢連接，在所述的連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下， 帶動實(shí)驗(yàn)動物后肢實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的兩自由度運(yùn)動。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺，其特征在于，所述的連桿機(jī) 構(gòu)包括第一主動桿(41)、第二主動桿(42)，第一從動桿(43)，第二從動桿(45)，第三從動桿 (46)和一個三角形桿(44)，所述的第一主動桿(41)、第二主動桿(42)分別安裝在兩個直流 電機(jī)(47，48)的轉(zhuǎn)軸上，由直流電機(jī)(47，48)直接驅(qū)動，直流電機(jī)(47，48)轉(zhuǎn)動時(shí)，第一主 動桿(41)帶動三個從動桿(43，45，46)和三角形桿(44)產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動，第二主動桿(42) 帶動第二和第三從動桿(45，46)產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動，通過對兩個電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，使第三從動 桿(46)末端帶動所述實(shí)驗(yàn)動物后肢實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的兩自由度運(yùn)動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺，其特征在于，所述的 跑步機(jī)的跑道傾角能夠通過安裝在跑道下部的跑道角度調(diào)節(jié)裝置(19)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，所述的康復(fù)機(jī)械手能夠?qū)Ρ粍舆\(yùn) 動訓(xùn)練一段時(shí)間后的后肢運(yùn)動功能障礙動物的后肢運(yùn)動功能進(jìn)行定量評價(jià)，即讓所述后肢 運(yùn)動功能障礙動物的后肢做主動運(yùn)動，而康復(fù)機(jī)械手不提供輔助力，僅跟隨該主動運(yùn)動，通 過角度傳感器記錄該康復(fù)機(jī)械手的運(yùn)動軌跡，即能夠用于定量評價(jià)所述后肢運(yùn)動功能障礙 動物的運(yùn)動功能。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8之一所述的一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺，其特征在于，所述跑 臺不包括康復(fù)機(jī)械手。
10.權(quán)利要求1-9之一所述的多功能動物減重訓(xùn)練跑臺的控制系統(tǒng)，包括角度傳感器、 拉力傳感器、信號預(yù)處理電路、A/D采集電路、控制器和上位機(jī)，角度傳感器和拉力傳感器分別用于測量康復(fù)機(jī)械手的位置和減重支持裝置提供的減重支持，上述信號預(yù)處理電路、A/D采集電路、控制器組成的控制電路對上述角度傳感器和拉力傳感器的測量信號進(jìn)行處理并控制電機(jī)的運(yùn)行，上位機(jī)用于設(shè)定初始參數(shù)、記錄和顯 示康復(fù)機(jī)械手的運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)并能夠?qū)祻?fù)效果進(jìn)行分析評價(jià)。
全文摘要
一種多功能動物減重訓(xùn)練跑臺及其控制系統(tǒng)，所述跑臺包括跑步機(jī)、減重支持裝置和康復(fù)機(jī)械手三部分。通過在跑步機(jī)上安裝有機(jī)玻璃和刺激電極，可對實(shí)驗(yàn)動物進(jìn)行跑步訓(xùn)練，或跑步訓(xùn)練與電刺激結(jié)合的組合訓(xùn)練。通過在跑步機(jī)上安裝減重支持裝置，可對實(shí)驗(yàn)動物實(shí)施跑臺訓(xùn)練和減重支持相結(jié)合的減重跑臺訓(xùn)練。在減重跑臺訓(xùn)練過程中，康復(fù)機(jī)械手可輔助實(shí)驗(yàn)動物的后肢運(yùn)動訓(xùn)練，既可為被動運(yùn)動訓(xùn)練模式提供正確的或預(yù)定的訓(xùn)練任務(wù)，又能在主動訓(xùn)練模式下記錄實(shí)驗(yàn)動物后肢的運(yùn)動軌跡，用于運(yùn)動功能的定量評價(jià)。本發(fā)明提供了一種醫(yī)學(xué)動物實(shí)驗(yàn)設(shè)備，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)動物脊髓損傷后的行走功能恢復(fù)，也可提供運(yùn)動醫(yī)學(xué)研究所需的動物跑臺訓(xùn)練。
文檔編號G05B19/418GK101822223SQ201010114140
公開日2010年9月8日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者何際平, 姜軍慶, 徐琦, 方征宇, 王永驥, 邢科新 申請人:華中科技大學(xué)