一种基于单轴电机受力的游戏式主被动康复训练装置
阅读说明：本技术 一种基于单轴电机受力的游戏式主被动康复训练装置 (Game type active and passive rehabilitation training device based on single-shaft motor stress ) 是由 宋廷宇 冯雷 施雯 徐海东 于 2020-12-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于单轴电机受力的游戏式主被动康复训练装置,不在手柄/脚蹬上部署力传感器,而是通过采集单轴电机的受力,通过采集时机和计算准确得到左右侧的受力,并将该受力计算转换为游戏中的转弯角度来实现患者在游戏中的转弯,完成游戏化互动训练；本发明通过方向自动回正机制进一步提升了游戏的体验；本发明方法,将枯燥乏味的单调训练变成主动参与的游戏化互动训练,能够提高患者的主动训练意识,最终有效增强训练效果。(The invention discloses a game type active and passive rehabilitation training device based on single-shaft motor stress, which is characterized in that a force sensor is not arranged on a handle/pedal, the stress of the single-shaft motor is collected, the stress of the left side and the right side is accurately obtained through collecting opportunity and calculation, and the stress calculation is converted into the turning angle in a game to realize the turning of a patient in the game, so that the game interactive training is completed; the invention further improves the game experience through the direction automatic correction mechanism; the method changes boring monotonous training into active participatory game-based interactive training, can improve the active training consciousness of patients, and finally effectively enhances the training effect.)
技术领域
本发明涉及一种基于单轴电机受力的游戏式主被动康复训练装置，能够为偏瘫患者提供对称性训练，属于上下肢主被动医疗康复训练技术。
背景技术
上下肢肢体康复训练设备是通过电机驱动带动存在运动功能障碍的四肢进行持续、重复的圆周、屈伸运动的训练设备，是用以提高用户肢体肌肉力量、关节活动度及心肺功能等目的的一款康复训练设备。对比双侧用力的对称性训练是该训练设备的重要训练模式，通过该模式引导偏瘫患侧主动用力，能够有效促进偏瘫患侧的康复。但是这种对称性训练的动作方式单一，训练枯燥乏味，难以提高患者训练的积极性和主动性；如果该训练设备能够提供实时动态游戏模式，基于游戏的趣味性，将极有可能大大提高患者训练的积极性和主动性。比如将该训练设备设计成模拟自行车骑行的3D游戏，可以提供和真实世界自行车骑行同样的体验。
模拟自行车骑行的3D游戏中，很重要的转弯功能需要对双侧手柄或者脚蹬的受力情况进行分析，根据受力的差异来计算转弯的方向和幅度。现有的模拟自行车骑行的3D游戏，通过在左侧手柄/脚蹬和右侧手柄/脚蹬上安装压力传感器，能够精确检测左右侧用力；但是因为受力手柄/脚蹬是旋转机构，不便于布线；因此，直接基于现有的3D游戏对训练设备进行改造将增加研发难度和后期的维护难度，并且会显著增加产品的成本。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于单轴电机受力的游戏式主被动康复训练装置，直接使用单轴电机的受力扭矩，间接计算得到患者的左右侧用力，创造性地将康复训练设备与游戏体验设备相融合和改进，能够提高康复过程的趣味性，提高患者训练的积极性和主动性。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于单轴电机受力的游戏式主被动康复训练装置，包括单轴电机、电机架、左连接柄和右连接柄，单轴电机安装在电机架上，左连接柄安装在单轴电机输出轴的左端，右连接柄安装在单轴电机输出轴的右端，记单轴电机输出轴的中心线为直线l，左连接柄的施力点、右连接柄的施力点和直线l位于同一平面内，且左连接柄的施力点、右连接柄的施力点与直线l的距离相等；
力量采集模块通过单轴电机输出轴的受力扭矩计算输出轴的受力，单轴电机输出轴旋转一周记为一个旋转周期，力量采集模块等旋转角度间隔采集一次单轴电机输出轴的受力，每个旋转周期采集N次，N为偶数；在电机架上设置有霍尔传感器I和霍尔传感器II，霍尔传感器I用于检测左连接柄的施力点是否到达检测位置，霍尔传感器II用于检测右连接柄的施力点是否到达检测位置；
当左连接柄的施力点到达检测位置时，触发霍尔传感器I，旋转周期开始，力量采集模块采集到的受力为F1，单轴电机的输出轴连续旋转，力量采集模块依次采集到的受力为F2,F3,…,F(N/2)；当右连接柄的施力点到达检测位置时，触发霍尔传感器II，旋转周期过半，力量采集模块采集到的受力为F(N/2)+1，单轴电机的输出轴连续旋转，力量采集模块依次采集到的受力为F(N/2)+2,F(N/2)+3,…,FN；
记在当前旋转周期中，力量采集模块依次采集到的受力为F1,F2,…,FN；记在当前旋转周期的前一旋转周期中，力量采集模块依次采集到的受力为F1',F2',…,FN'；对力量采集模块的采集值进行连续记录；
若当前时刻处于霍尔传感器I触发后、霍尔传感器II触发前的前半个旋转周期内，左连接柄施力点的受力固定为Fleft＝F1，右连接柄施力点的受力固定为
若当前时刻处于霍尔传感器II触发后、霍尔传感器I触发前的后半个旋转周期内，右连接柄施力点的受力固定为Fright＝F(N/2)+1，左连接柄施力点的受力固定为
优选的，还包括转弯判断模块，转弯判断模块根据左连接柄施力点和右连接柄施力点的力量差△f＝Fleft-Fright判断该训练装置处于直行状态或转弯状态，包括如下步骤：
(1)计算左连接柄施力点和右连接柄施力点的力量差△f＝Fleft-Fright；
(2)计算转弯角度为A＝△f×a，a为单位力量差对应的转弯角度；
(3)判断转弯角度A是否大于转弯角度门限△A：若|A|>△A，则进入步骤(4)；否则，保持当前方向并返回步骤(1)；
(4)若A>0，则判断该训练装置处于左转弯状态；若A<0，则判断该训练装置处于右转弯状态，转弯角度为|A|。
优选的，还包括方向自动回正模块，在转弯开始T时长后自动方向回正，方向回正的角速度为r，包括如下步骤：
(1)设转弯开始时刻为t0，当前时刻为t，当前时刻偏离前进方向的角度为a0，△t＝t-t0；
(2)若△t>T，则启动方向自动回正，进入步骤(3)；否则，返回步骤(1)；
(3)以角速度r进行方向回正，持续计算已经回正的角度△r＝(t-t0-T)×r，若a0-△r<R，则认为方向回正完成，R为方向回正门限值；否则，持续步骤(3)。
具体的，所述左连接柄的施力点和右连接柄的施力点分别为左右手的手柄或左右脚的脚蹬。
具体的，所述检测位置为左连接柄的施力点和右连接柄的施力点的最高位置。
有益效果：本发明提供的基于单轴电机受力的游戏式主被动康复训练装置，能够在无传感器部署的手柄/脚蹬上，只通过单轴电机的受力来实现左右侧力量的采集，得到患者的左手/脚、右手/脚的用力，并通过计算转化为游戏中的转弯操作，将枯燥乏味的循环往复康复训练游戏化，沉浸在游戏的快乐中，让患者乐于进行康复训练，提高了训练积极性，进而提高了主被动康复训练的效果；本案中的方向自动回正机制降低了转弯操作的难度，让用户方向更可控，进一步提高了游戏的体验；同时因为不需要在手柄/脚蹬上安装传感器，降低了工程研发和后期维护的难度，也大大降低了产品的成本，让产品能够以更低的价格推向市场，惠及更多的患者。
附图说明
图1为左右侧力量检测方法流程示意图；
图2为转弯判断模块流程示意图；
图3为方向自动回正模块流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本案将康复训练设备与游戏体验设备相融合，基于模拟自行车骑行的3D游戏对康复训练设备进行改设，为了避免过多的传感器使用和方便布线，我们设计使用单轴电机来检测患者的左右侧力量；比较容易想到的是直接使用单轴电机的受力扭矩，间接计算得到患者的左右侧用力，但是单轴电机的一根轴同时受双侧的用力，需要进行左右力量的区分，来计算左右侧力量的差异。如果左右力量计算方法不正确，会导致患者左侧用力时计算为右侧力量值，或者右侧用力时计算为左侧力量值，在游戏中体现为患者想左转弯时，自行车却向右转弯，或者想向右转弯时，自行车却向左转弯，实际转弯方向与患者意图相反。如果左右力量计算不准确，会导致左右力量差异计算不精确，在游戏中体现为转弯幅度和患者用力不匹配。两种情况都会严重影响患者的游戏体验，给患者带来挫败感，降低患者训练积极性，影响康复训练效果。
鉴于上述分析，基于单轴电机受力来检测患者左右侧力量是设计中需要重点考虑的；基于此，本案的设计方案如下：
一种基于单轴电机受力的游戏式主被动康复训练装置，包括单轴电机、电机架、左连接柄和右连接柄，单轴电机安装在电机架上，左连接柄安装在单轴电机输出轴的左端，右连接柄安装在单轴电机输出轴的右端，记单轴电机输出轴的中心线为直线l，左连接柄的施力点(左手柄或左脚蹬)、右连接柄的施力点(右手柄或右脚蹬)和直线l位于同一平面内，且左连接柄的施力点、右连接柄的施力点与直线l的距离相等。
力量采集模块通过单轴电机输出轴的受力扭矩计算输出轴的受力，单轴电机输出轴旋转一周记为一个旋转周期，力量采集模块等旋转角度间隔采集一次单轴电机输出轴的受力，每个旋转周期采集N次，N为偶数；在电机架上设置有霍尔传感器I和霍尔传感器II，霍尔传感器I用于检测左连接柄的施力点是否到达检测位置，霍尔传感器II用于检测右连接柄的施力点是否到达检测位置(基于人体工程学，在最高位置时人体发力最大，因此我们选择检测位置为施力点能够运动到的最高位置)。
当左连接柄的施力点到达检测位置时，触发霍尔传感器I，旋转周期开始，力量采集模块采集到的受力为F1，单轴电机的输出轴连续旋转，力量采集模块依次采集到的受力为F2,F3,…,F(N/2)；当右连接柄的施力点到达检测位置时，触发霍尔传感器II，旋转周期过半，力量采集模块采集到的受力为F(N/2)+1，单轴电机的输出轴连续旋转，力量采集模块依次采集到的受力为F(N/2)+2,F(N/2)+3,…,FN。
记在当前旋转周期中，力量采集模块依次采集到的受力为F1,F2,…,FN；记在当前旋转周期的前一旋转周期中，力量采集模块依次采集到的受力为F1',F2',…,FN'；对力量采集模块的采集值进行连续记录。
若当前时刻处于霍尔传感器I触发后、霍尔传感器II触发前的前半个旋转周期内：左连接柄施力点的受力固定为Fleft＝F1，右连接柄施力点的受力固定为即在前半个旋转周期内，左连接柄施力点的受力固定为当前周期开始时刻的受力，右连接柄施力点的受力固定为当前旋转周期的前一旋转周期的后半周期的受力平均值。
若当前时刻处于霍尔传感器II触发后、霍尔传感器I触发前的后半个旋转周期内，右连接柄施力点的受力固定为Fright＝F(N/2)+1，左连接柄施力点的受力固定为即在后半个旋转周期内，右连接柄施力点的受力固定为当前周期过半时刻的受力，左连接柄施力点的受力固定为当前旋转周期的前一旋转周期的前半周期的受力平均值。
力量采集模块每采集一次受力值，均向系统反馈一次(Fleft,Fright)，以维持系统的反应速度，提高游戏的体验感。
我们曾经考虑过使用即时的受力值来计算左右施力点的受力，但是基于此进行模拟设备运行波动大，效果反而不好；我们采用半周期的固定值，完全能够达到患者稳定使用的效果，并且降低了对系统的要求，降低了设备成本。
转弯判断模块根据左连接柄施力点和右连接柄施力点的力量差△f＝Fleft-Fright判断该训练装置处于直行状态或转弯状态，包括如下步骤：
(1)计算左连接柄施力点和右连接柄施力点的力量差△f＝Fleft-Fright；
(2)计算转弯角度为A＝△f×a，a为单位力量差对应的转弯角度；
(3)判断转弯角度A是否大于转弯角度门限△A：若|A|>△A，则进入步骤(4)；否则，保持当前方向并返回步骤(1)；
(4)若A>0，则判断该训练装置处于左转弯状态；若A<0，则判断该训练装置处于右转弯状态，转弯角度为|A|。
方向自动回正模块，在转弯开始T时长后自动方向回正，方向回正的角速度为r，包括如下步骤：
(1)设转弯开始时刻为t0，当前时刻为t，当前时刻偏离前进方向的角度为a0，△t＝t-t0；
(2)若△t>T，则启动方向自动回正，进入步骤(3)；否则，返回步骤(1)；
(3)以角速度r进行方向回正，持续计算已经回正的角度△r＝(t-t0-T)×r，若a0-△r<R，则认为方向回正完成，R为方向回正门限值；否则，持续步骤(3)。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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