[发明专利]一种康复训练用智能跑步机

权利要求书

1.一种康复训练用智能跑步机，主要由连接坡道(1)、跑步机外框(2)、跑步机内框(3)、扶手吊架(4)、悬吊装置(5)、计算机(6)、控制面板(7)、摄像头(8)、投影仪(9)、计算机(6)和附属于计算机(6)中的硬件模块：机电控制模块、动作引导模块、数据采集模块组成；其特征在于，跑步机外框(2)是跑步机的主体，其中，连接坡道(1)与跑步机外框(2)后方对接，实现患者在轮椅上通过连接坡道(1)上下跑步机；跑步机内框(3)与跑步机外框(2)通过俯仰-侧倾机构连接，使跑步机内框(3)相对于跑步机外框(2)实现俯仰-侧倾运动；扶手吊架(4)固连于跑步机外框(2)两侧边框，供患者手扶并支承悬吊装置(5)；跑步机外框(2)前方与计算机(6)连接，计算机(6)显示屏朝向跑步机；跑步机外框(2)侧面支架安装的摄像头(8)与计算机(6)显示屏面下方安装的摄像头(8)用于对患者行走过程进行动作捕捉；跑步机外框(2)侧面支架安装的投影仪(9)在跑步机内框(3)的跑带(16)上产生投影，与计算机(6)显示屏上的指示用于对患者步行引导；悬吊装置(5)提供跟随患者相对于跑步机外框(2)前进-后退，俯仰-侧倾运动的竖直向上的补偿拉力，并通过悬吊装置(5)的拉力传感器(31)测得补偿拉力，使患者可以在设定的减重条件下训练；控制面板(7)连接在扶手吊架(4)上，用于设定康复训练模式，控制跑步机各模块的运行参数，与计算机(6)显示屏共同用于人机交互；跑步机内框(3)是实现基本行走功能的跑步机本体，跑步机内框(3)的跑板(15)上表面粘贴有柔性压力传感器层及保护层，下表面通过4个三维压力传感器(11)固连在跑步机内框(3)的横梁(14)上，通过柔性压力传感器与三维压力传感器信号可以获取患者的足底压力参数；

跑步机内框(3)主要由三维压力传感器(11)、内框框体(12)、辊子(13)、横梁(14)、跑板(15)、跑带(16)组成；内框框体(12)与横梁(14)组成跑步机内框(3)的刚性框架，按照跑步机具体大小，承载跑带(16)的跑板(15)可以有1个或2个；横梁(14)与跑板(15)间通过4个三维压力传感器(11)固连，跑板(15)上表面粘贴有柔性压力传感器层及保护层，保护层防止在跑步机使用过程中，跑带(16)对柔性压力传感器层直接磨损，增加使用寿命；通过计算机(6)中的机电控制模块控制跑步机本体中伺服电机转动，经传动系统转化为跑带(16)按2个辊子(13)约束的转动，实现基本行走功能；在实际使用过程中，患者行走对跑带(16)与跑板(15)产生反力，通过柔性压力传感器可以获取患者足印压力分布情况，通过横梁(14)与跑板(15)间通过4个三维压力传感器(11)信号可以算出患者对跑带(16)与跑板(15)产生的反力的合力大小与方向；在实际使用前，患者使用悬吊装置(5)辅助站立，通过调整悬吊装置(5)的补偿拉力，与三维压力传感器(11)测得压力值可用于柔性压力传感器标定；上述数据通过计算机(6)中的数据采集模块传输至计算机进行解算与显示；

悬吊装置(5)主要由框架、天车滑块(21)、天车导轨(22)、限位装置(23)、弹性装置(24)、绞车绳(25)、电动绞车(26)、天车滑轮(27)、悬吊绳(28)、悬吊滑轮(29)、悬吊滑轮架(30)、拉力传感器(31)、固定支座(32)、悬吊横梁、减重吊带功能模块组成；天车导轨(22)与固定支座(32)固连在框架上，框架是悬吊装置(5)的基座；2个天车滑轮(27)的底座固连在天车滑块(21)上；悬吊绳(28)为刚性绳，一端与固定支座(32)连接，经天车滑轮(27)其一、悬吊滑轮(29)、天车滑轮(27)其二引导，另一端连接弹性装置(24)一端；在固定支座(32)与天车滑轮(27)其一间的悬吊绳(28)中间打断，两端分别与拉力传感器(31)连接，拉力传感器(31)测量悬吊绳(28)的绳间拉力，作为悬吊装置(5)的补偿拉力；在天车滑轮(27)其二与弹性装置(24)间的悬吊绳(28)同心固连限位装置(23)的一部分，限位装置(23)的另一部分固连在框架上，当由于悬吊绳(28)与框架发生相对运动而使限位装置(23)两部分机械接触，限位装置(23)起到限位作用，阻止这种相对运动继续进行；限位装置(23)的两部分间安装距离传感器，通过测量限位装置(23)的两部分间距离，可以得出悬吊滑轮架(30)及其连接的悬吊横梁的位置；弹性装置(24)另一端经绞车绳(25)连接至电动绞车(26)转轴上；悬吊滑轮(29)与悬吊滑轮架(30)通过心轴连接，使其可相对转动，悬吊滑轮架(30)经悬吊横梁、减重吊带与患者人体固定，上述拉力传感器(31)也可以布置在悬吊滑轮架(30)与悬吊横梁间测量悬吊装置(5)的补偿拉力；电动绞车(26)由伺服电机、棘轮装置、绞盘组成，绞车绳(25)缠绕在绞盘上，绞盘与棘轮装置转轴、伺服电机转轴同轴刚性连接；伺服电机转动角度、转动速度、提供力矩由伺服电机的控制器、驱动器经机电控制模块输出；棘轮装置用于在伺服电机转角由机电控制模块给定后，阻止绞盘的放线旋转，使伺服电机不必在悬吊装置使用过程中始终提供驱动力矩；

悬吊装置(5)在实际使用时，患者首先穿着减重吊带，由机电控制模块控制电动绞车(26)对绞车绳(25)放线，在悬吊滑轮(29)、悬吊滑轮架(30)、悬吊横梁的重力作用下，悬吊横梁下降至减重吊带连接高度，对悬吊滑轮(29)、悬吊滑轮架(30)、悬吊横梁前后拖动可以调整上述功能模块前后位置，便于将悬吊横梁与减重吊带连接；连接完成后，由机电控制模块控制电动绞车(26)对绞车绳(25)收线，使减重吊带承载人体提升；提升过程中产生拉力使弹性装置(24)拉伸，拉力传感器(31)测量悬吊绳(28)拉力，当人体处于站立姿态后，机电控制模块控制电动绞车(26)继续收线，悬吊滑轮(29)高度基本不变，弹性装置(24)继续拉伸，至拉力传感器(31)测量悬吊绳(28)拉力到达计算机(6)给定值停止；训练过程中如因患者跌倒而快速拉动悬吊绳(28)，经机电控制模块对限位装置(23)两部分间距测量或基于拉力传感器(31)拉力判断，机电控制模块控制电动绞车(26)对绞车绳(25)收线或限位装置(23)两部分发生机械接触，可以防止患者跌倒；

上述悬吊装置(5)的天车滑块(21)与天车导轨(22)组成滚动摩擦导轨；通过2个天车滑轮(27)与1个悬吊滑轮(29)组成的滑轮组，患者在基本不改变补偿拉力与减重吊带竖直位置的情况下，天车滑块(21)受滑轮组前后方向分力，随患者相对于跑步机外框(2)可以前后移动；弹性装置(24)在患者处于训练位置行走，重心经带动减重吊带、悬吊横梁、悬吊滑轮架(30)使悬吊滑轮(29)上下起伏时，起到基本缓冲作用；选择较低刚度和较大极限拉力的弹性装置(24)，使在上述情况下，电动绞车(26)即使不工作也能产生近似恒定的补偿拉力；在患者训练时，也可通过计算机(6)的机电控制模块，结合拉力传感器(31)拉力信号、限位装置(23)两部分间距信号、数据采集模块获得的其他信号，通过机电控制模块运行控制算法使补偿拉力保持恒定，满足康复训练需求；

机电控制模块控制俯仰-侧倾机构、跑步机本体伺服电机、悬吊装置(5)，并可获取悬吊装置(5)对人体的补偿拉力信号；动作引导模块控制投影仪(9)、计算机(6)显示屏，用于引导患者正确进行康复训练并提供与患者人机交互的训练任务，任务完成情况由数据采集模块采集；数据采集模块采集摄像头(8)、柔性压力传感器、三维压力传感器(11)和可以附加的心率检测模块、运动手环设备的患者运动相关与任务完成原始数据；计算机分析处理数据采集模块采集的原始数据，获取患者步态参数、任务完成情况和其他参考数据，并基于康复效果评估模型，得出对康复训练效果的量化评估，并可将结果反馈给计算机(6)显示屏或控制面板(7)供患者、医师参考；用户通过控制面板(7)输入患者基本信息，设置康复训练模式，使计算机(6)根据康复训练程序匹配合适的康复训练模式，按照上述机电控制模块、动作引导模块功能，运行本装置。

2.根据权利要求1所述的康复训练用智能跑步机，其特征在于，2个摄像头(8)分别布置于跑步机外框(2)侧方与前方，由数据采集模块采集患者在跑步机内框(3)的动作视频；计算机基于立体视觉、特征提取、特征匹配、图像重建、视觉跟踪算法，对患者动作进行图像处理与分析，结合动作引导模块功能，得出患者步态参数、任务完成情况、和其他参考数据；计算机(6)可将患者动作视频进行实时三维重建并提取上述简单参数，经计算机(6)显示屏、控制面板(7)反馈给用户，作为康复训练过程中的参考。