[發明專利]一種腿部肌肉訓練器及其控制方法

在審

• 申請號: 201811403460.3
• 申請日: 2018-11-23
• 公開（公告）號: CN109364427A
• 公開（公告）日: 2019-02-22
• 發明（設計）人: 趙興景;羅翔
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: A63B22/04
• 分類號: A63B22/04;A63B21/005
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種腿部肌肉訓練器及其控制方法，所述的腿部肌肉訓練器包括外部框架、曲柄、曲柄軸支架、踏板、連桿、搖桿、搖桿支架、同步帶、第一同步帶輪、第二同步帶輪、控制器、伺服電機、伺服驅動器；本發明所述的基于該裝置的控制方法包括將腿部康復訓練分為伺服電機提供動力帶動腿部運動的被動訓練模式和伺服電機提供阻尼需要腿部產生運動的主動運動模式，本發明使臥床不起的病人在病床上能夠開展腿部肌肉訓練和活動腿部關節，促進腿部血液的循環，被動模式和主動模式交替使用既能在訓練中不斷調整適合病人自身的訓練方法，也能適應病人在不同的康復階段得到合適的訓練模式。

技術領域

本發明涉及一種肌肉訓練器及其控制方法，具體是涉及一種腿部肌肉訓練器及其控制方法。

背景技術

腿部無力的老年人、運動障礙患者、殘疾人等往往缺乏運動，腿部會出現肌肉萎縮等問題，這些人往往借助康復機構康復和鍛煉，傳統的步態康復是由經驗豐富的理療師和專業的醫療人員提供，至少需要三個理療師同時工作才能監測、輔助兩條腿運動。隨著機器人技術的發展，這一康復過程可由機器人替代，目前腿部康復機器人大多為外骨骼減重形式，將人體懸掛安置于跑步機上方，這樣的形式對場地空間要求較高，不利于臥床的病人進行康復訓練，同時現有的腿部肌肉訓練器僅采用電機的動力帶動腿部，讓腿部肌肉被動地跟隨電機運動而運動，而病人腿部恢復到一定程度時，還需要讓腿部主動運動進行腿部肌肉的康復。

發明內容

發明目的：本發明提供一種腿部肌肉訓練器，該裝置能夠使臥床的病人進行腿部肌肉的主動運動和被動運動的康復訓練。本發明的另一目的是提供基于該裝置的控制方法。

技術方案：一種腿部肌肉訓練器，包括外部框架、曲柄、曲柄軸支架、踏板、連桿、搖桿、搖桿支架、同步帶、第一同步帶輪、第二同步帶輪、控制器、伺服電機、伺服驅動器；所述外部框架為中空結構，且其底部能夠豎立在一個平面上，控制器、伺服電機、伺服驅動器均固定在外部框架的頂部，伺服驅動器分別與控制器和伺服電機相連，伺服電機和第一同步帶輪連接，曲柄與第二同步帶輪連接，曲柄軸支架分別與曲柄和外部框架固定連接，第一同步帶輪與第二同步帶輪通過同步帶連接，踏板分別與曲柄和連桿連接，搖桿分別與連桿和搖桿支架連接，搖桿支架與外部框架固定連接。

一種基于上述腿部肌肉訓練器的控制方法，包括以下步驟：

a、訓練器啟動，控制器進入被動訓練模式，即伺服電機選擇速度控制模式，用戶根據腿部訓練需求，調節伺服電機的轉速；

b、被動訓練模式下，當控制器接收到一次加速信號時伺服電機速度增加值為對人體沒有沖擊感的變化量，由此完成一次加速并設定最高轉速限制；當接收到減速信號時伺服電機速度減小值為對人體沒有沖擊感的變化量，由此完成一次減速并設定最低轉速限制；

c、被動訓練模式下，為控制器設定伺服電機轉速的采樣周期，每間隔雙倍的采樣周期，控制器利用前兩次速度誤差、當前速度誤差并采用下列算法計算輸出增量力矩并更新至伺服電機轉速，

Δu(t)＝(K_P+K_i+K_d)e(k)+[-(K_P+2K_d)]e(k-1)+K_de(k-2)

其中，K_P為比例系數，K_I為積分系數，K_D為微分系數，e(k)為當前速度誤差，e(k-1)，e(k-2)分別為前兩次速度誤差，Δu(t)為輸出增量力矩；

d、用戶根據需要切換控制器進入主動訓練模式，伺服電機選擇力矩控制模式，用戶根據腿部訓練需求，調節伺服電機的輸出力矩；