多功能热磁肢体康复训练器制造技术

本发明专利技术属于康复训练器材领域，特别的涉及以机械结构设计、电气控制结合的多功能热磁肢体康复器材。目的是提供一种具有单独上肢训练、单独下肢训练和上下肢组合训练功能的智能型多功能热磁肢体康复训练器。一种多功能热磁肢体康复训练器，包括机械部分和电气控制部分，上述机械部分包括机架、安装在机架上的电机、变速箱和踏板，上述电气控制部分采用二级CPU结构，包括通过RS232通信连接起来的主控制器和电机控制器，上述主控制器连接有实时时钟芯片、语音芯片、键盘信息接入口和液晶显示接口，上述电机控制器连接有电机驱动电路、电流信号采集、调理电路、编码器电路、错误检测及输出保护电路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于康复训练器材领域，特别的涉及以机械结构设计、电气控制结合的多功能热磁肢体康复器材。
技术介绍
肢体康复器材的使用越来越普遍，给康复病人恢复肢体肌力提供了重要的帮助。现有的肢体康复器材多种多样，或者具有主动训练模式、被动训练模式和痉挛肌缓解多种训练模式，或者具有单独上肢训练、单独下肢训练和上下肢组合训练功能。但是上述功能都未能集成起来，对于康复器材使用者带来不便。
技术实现思路
本专利技术根据仿真结果和功能要求提供一种具有单独上肢训练、单独下肢训练和上下肢组合训练功能的智能型多功能热磁肢体康复训练器。根据系统的主动训练模式、被动训练模式和痉挛肌缓解模式的功能要求,建立不同的数学模型。为了使系统在主动模式时能够设定恒定阻力，将电机回路设计成一个电流可控的恒流回路；为了使系统在被动模式时能够设定恒定的转速，被动模式采用闭环调速控制，保证在运动过程中速度的稳定；为了检测肌肉痉挛，要求系统对电流的检测有较高的灵敏度，本训练仪采用检测电机电流的大小间接判断是否肌肉产生痉挛，对于上下肢体由于肌肉痉挛产生的力不同，上下肢采用不同电流界限值进行判断。控制系统的设计主要分为硬件设计与软件设计两部分。硬件设计包括主控制器、电机控制器和电源三个部分，电机控制器部分是本设计的重点，包括可控电流环路电路和闭环转速调节电路。软件设计包括主控制器和电机控制器两个部分，主控制器部分实现对各种外设的通信与控制功能，如驱动人机接口电路、驱动时钟电路和完成串行通讯协议等；电机控制器部分是本项目软件设计的难点，主要实现对电机驱动、信号采集和各种控制算法的实现。具体技术方案如下—种多功能热磁肢体康复训练器，包括机械部分和电气控制部分，上述机械部分包括机架、安装在机架上的电机、变速箱和踏板，上述电气控制部分采用二级CPU结构，包括通过RS232通信连接起来的主控制器和电机控制器，上述主控制器连接有实时时钟芯片、语音芯片、键盘信息接入口和液晶显示接口，上述电机控制器连接有电机驱动电路、电流信号采集、调理电路、编码器电路、错误检测及输出保护电路。上述机械部分电机采用有刷电机，功率为100W ;上述踏板上设有脉动磁场发生器及调节机构。上述机械部分还设有轴承与摇臂，上述踏板轴承安装在摇臂上，摇臂通过换向齿轮与变速箱的输入端连接，上述换向齿轮采用一对伞齿轮，齿轮参数为模数1，齿数比2 :1，齿数23 28。上述电气控制部分的主控制器、电机控制器都设有USART接口和JTAG接口，上述USART接口为双机通信接口。当康复训练器处于主动模式时，电流给定模块电路、ι/v转换电路、信号调理电路和电机控制器形成一个闭环控制的电流可控回路，上述电路给定模块电路由数模转换电路、功率放大电路和负载组成；当康复训练器处于被动模式时，Ι/v转换电路、电流信号调理电路和电机控制器形成电流反馈电路。本专利技术多功能热磁肢体康复训练器可以实现单独上肢训练、单独下肢训练和上下肢组合训练功能，并且每种训练功能均具有主动模式、被动模式和肌肉痉挛模式选择，三种训练模式集中在一个训练仪上，在一个训练仪上实现三种训练功能。同时具备了大范围脉动磁场、大范围远红外线、光热的可调节系统，最大限度的帮助患者进行肢体康复。附图说明 图I为本专利技术整体结构示意图。图2为本专利技术系统控制电路原理框图。图3为图2中主控制器部分示意框图。图4为图2中电机控制器部分示意框图。图5为本专利技术处于主动训练模式时电机控制器部分示意框图。具体实施例方式见图1，本专利技术多功能热磁肢体康复训练器的总体结构包括机械部分和电气控制部分，机械部分主要由机架、换向伞齿轮、变速箱、轴承和踏板等组成，电气控制部分划分为两级结构，主要包括电机、主控制器、电机控制器和电源四部分。同时在踏板上安装大范围脉动磁场发生器、大范围远红外线、光热的可调节机构。多功能热磁肢体康复训练器是通过自身的机械运动为患者提供动力或者阻力，使患者进行锻炼的仪器。为了使患者做类似于行走的锻炼，本设计的机械结构为极坐标式，极坐标式机械结构的运动学分析简单，控制较容易，系统机械结构主要包括以下几个部分(I)换向齿轮由于电机输出轴安装位置与摇臂轴垂直，必须将电机的旋转方向进行90度换向，本设计采用一对伞齿轮，齿轮参数为模数为1，齿数比为2:1,最小齿轮齿数为25。⑵变速箱直流电动机是高转速、低转矩的驱动部件，根据电机的物理特性，在电压为常数的情况下，其转速随负载的增加而减小。在低转速条件下，配合齿轮箱使用比直接降低转速更有利。康复仪的摇臂需要较慢的旋转速度及较大的转矩，因此，电机的输出轴要经过齿轮减速箱进行减速才能满足所需的转速和转矩的要求，本项目选用减速比为33 1的减速箱。(3)轴承与摇臂机械部分的摇臂的长度约为120mm，在摇臂的支撑点处采用滑动轴承固定，因为滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声。在液体润滑条件下，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，可以大大减小旋转机构的机械损耗。⑷机架主要用于整机的固定，作为驱动的电机安装在机架纵向轴上，电源安装在机架的底部，这样机架就可以承担大部分重量，使得结构紧凑。多功能热磁肢体康复训练器一般是在病房或者室内使用，环境比较安静，其各种指标必须控制在一定的范围电机温升小于60度，电机噪声小于45dB。本专利技术采用有刷直流电机通过连续可调电压实现无极调速，无刷直流电机的转速控制系统的制造成本比有刷直流电机的转速控制系统要高，控制器在使用中容易发生故障。肢体康复仪在功能上要求电机既作发电机又作电动机使用，根据康复训练仪的功能特点故选用有刷电机，功率在100W左右，电压24VDC。见图2，本专利技术电气控制部分采用二级CPU结构，集中控制方式。一级CPU为主控制器，担当系统管理和人机接口等功能的实现，充分利用微处理器的资源，为用户提供美观实用的人机接口和完善的系统管理功能；为使系统获得良好的控制性能，减少系统管理与 人机接口等慢速设备的影响，二级CPU为电机控制器，仅完成对电机的数字控制，从而得到较理想的控制效果；系统的两级CPU之间通过通信接口连接。见图3，上述主控制器模块主要负责系统管理和人机接口功能，包括控制实时时钟芯片、读取键盘的输入信息、通过液晶显示和语音提示的方式来表达相应的信息、对电机控制器发出控制指令和其它的辅助功能。为了实现主控制器对电机控制器的控制作用，将两个控制器通过USART接口连接起来。主控制器从键盘获取患者所需进行训练的参数，通过RS232通信接口将数据以一定的协议传送给电机控制器，使得电机控制器根据相应的转速、转矩等信息进行工作。由于康复仪要求有时间设定功能，因此，主控制器外设实时时钟芯片，既用来计算和设定患者的训练时间的计时开始和结束，又作为日历显示当前时间。JTAG接口是用来对控制器进行程序下载和在线调试的。见图4所示，上述电机控制器的作用是实现电机控制功能和错误检测功能，其外围电路的设计主要是为了满足主动模式、被动模式和痉挛肌缓解模式的要求而设计的可控电流环流电路和双闭环转速调节电路。电机控制器以串口作为输入接口，按照主控制器的指令，完成对直流电机的起动、停车、调速、反向、故障检测和故障保护等功能。电机控制器的设计是系统设计的重点及难点。根据康复训练仪所要实现的功能，将电机控制器模块划分为单个功能的二级本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多功能热磁肢体康复训练器，包括机械部分和电气控制部分，上述机械部分包括机架、安装在机架上的电机、变速箱和踏板，其特征在于：上述电气控制部分采用二级CPU结构，包括通过RS232通信连接起来的主控制器和电机控制器，上述主控制器连接有实时时钟芯片、语音芯片、键盘信息接入口和液晶显示接口，上述电机控制器连接有电机驱动电路、电流信号调理电路及I/V转换电路、编码器电路、错误检测及输出保护电路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：左仁良，
申请(专利权)人：常州志程电子有限公司，
类型：发明
国别省市：