一種用於康復訓練的機械振動電子裝置製造方法
2023-06-19 09:37:36 2
一種用於康復訓練的機械振動電子裝置製造方法
【專利摘要】本發明屬於機械電子領域，特別涉及一種應用於康復訓練的振動機械電子設備。裝置包括電子電路、控制系統和機械振子；電子電路包括供電模塊，最小系統模塊，串口通信模塊，數字電位器模塊和數字功放模塊；控制系統包括上位機、顯示器；上位機與微處理器通過串行接口連接，上位機配置有輸入設備，根據輸入信息控制機械振子完成不同參數的振動。裝置採用PWM波的控制方式，使輸出電壓頻率、大小發生變化，驅動所控制的機械振子實現不同頻率、振幅、振動時間、振動間隔時間的變化，應用於中樞神經損傷等患者康復訓練的神經刺激和動作提示。
【專利說明】—種用於康復訓練的機械振動電子裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於機械電子領域，特別涉及一種應用於康復訓練的振動機械電子裝置。
【背景技術】
[0002]體育運動訓練和神經系統疾病的運動康復訓練一直是科學研究的熱點，提高運動和康復訓練的效率，無論對於體育事業的發展還是康復工程的進步都有巨大的經濟和社會效益。
[0003]人和動物有多種途徑獲取外部信息，其中重要的是感覺系統，主要包括視覺、聽覺、觸覺、壓覺等，感知信號各自傳回大腦，在大腦進行加工融合以判斷外界情況。觸覺是動物所具有的原始感覺，它使得生物可以感覺到外界情況，從而去適應現狀、規避風險。多數動物的觸覺器是遍布全身的，像人的皮膚位於人的體表，依靠表皮的游離神經末梢能感受溫度等。振動的敏感性取決于振動位置、振動幅度、頻率、接觸面積、時間以及受試者性別、年齡、皮膚狀況等。
[0004]機械振動應用研究就要集中在以下三個方面:1.體育運動訓練時緩解肌肉緊張和疲勞，提高平衡性、協調性和肌肉耐力，防止骨質疏鬆，體感音樂能夠有效緩解和放鬆肌肉痙攣，放鬆心情；2.能夠有效刺激到la神經纖維，產生I波，有效刺激到大腦皮層運動感覺區激發運動電位，提高運動康復訓練的有效性，有助於大腦皮層神經的重塑，治療足下垂改善步態等:3.能有效刺激皮膚中的本體感受器，在觸覺提示方面有很好的用途，如盲人導航、軍事應用等方面。
[0005]針對目前市場上產品的現狀，本發明提出了用於機械振動的一種新型系統，本發明由電子電路、機械振子、控制系統構成，採用PWM波的控制方式，使輸出電壓頻率、大小發生變化，驅動所控制的機械振子實現不同頻率、振幅、振動時間、振動間隔時間的變化，用於康復訓練的神經刺激和動作提示的功能。本發明在康復訓練領域特別是機械振動刺激領域將有廣泛的應用前景。
【發明內容】
[0006]1、本發明的目的是提出一種用於康復訓練的機械振動電子裝置，應用於中樞神經損傷等患者康復訓練的神經刺激和動作提示領域，其特徵在於，包括電子電路、控制系統和機械振子；
[0007]電子電路包括供電模塊，最小系統模塊，串口通信模塊，數字電位器模塊和數字功放模塊；供電模塊包括電源接口 1或7、穩壓晶片6和串接於電源接口和穩壓晶片6之間的開關2 ;最小系統模塊包括微處理器4、地址設定開關5，地址設定開關一端接高電平，另一端連接至微處理器4的可用引腳；串口通信模塊包括第一串口接口 3和第二串口接口 9，第一串口接口 3與上位機的串行接口連接；第二串口接口 9平行連接至另一電子電路中的串口接口 9進行串聯擴展；數字電位器模塊包括數字電位器10，數字電位器10控制端通過SPI總線與微處理器4連接，數字電位器10的兩個終端分別連接至地線和微處理器的PWM信號輸出埠 ；數字功放模塊包含功率放大器8和機械振子接口 11，功率放大器8控制端連接至數字電位器10的滑動端，功率放大器8放大信號的輸出端連接機械振子接口 11 ；
[0008]機械振子是利用電磁繼電器原理工作的機械振子12，與電子電路中的機械振子接口 11相連；
[0009]控制系統包括上位機、顯示器；上位機與微處理器通過串行接口連接，上位機配置有輸入設備，根據輸入信息控制機械振子完成不同參數的振動。
[0010]上位機通過電子電路控制機械振子實現不同頻率、振幅、振動時間、振動間隔時間的機械振動完成任務，如頻率在20-50HZ，振幅1.5-10mm範圍內的任意值，緩解疲勞，頻率80-120HZ，振幅為0.1-0.5mm範圍內的任意值時刺激大腦皮層運動感覺中樞，頻率200-300HZ，振幅為10-25 μ m範圍內的任意值時時刺激觸覺用於任務提示。用振動進行康復訓練振動時，可以選擇不同的振動頻率組合實現不同的康復訓練方案。比如，採用幾個不同的振子，分別設定不同的振動頻率，當頻率在45Hz振幅5mm時，可以緩解患者的疲勞，當振動頻率在250Hz振幅15 μ m時，可以幫助患者提示，完成訓練任務。所以通過這兩組振動頻率振幅的組合，可以提示患者完成任務的同時緩解由於訓練帶來的疲勞感。
[0011]本發明的有益效果是，本發明布局合理，機械振動電子裝置將可用於康復訓練，通過頻率和振幅的組合選擇實現緩解疲勞、刺激神經、動作提示的功能；電路布置簡單合理，穩定性強；機械振子響應速度快、性能良好、振動噪音小、符合人體工程學；通過頻率、振幅、振動時間的選擇，針對不同振動刺激的敏感性實現了不同的功能。針對患者患病早期不同的訓練目標提供高效率的康復任務，踝關節的突然釋放的運動方式與髖關節機構和足底往復機構相互配合，在節律性運動的基礎上提供一種非節律性擾動。在訓練患者相應肌肉群的同時，刺激患者與之相關聯的體神經和大腦神經，使得康復訓練更系統更完整。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為系統功能結構框圖
[0013]圖2為系統電子電路模塊圖
[0014]圖中標號:
[0015]1-電源接口 1 ;2_開關；3-串口接口 F;4_最小系統；5-地址設定開關；6-穩壓晶片電源接口 2 ;8_功率放大晶片；9_串口接口 Μ ;10_數字電位器；11-振子接口 ；12_機械振子。
【具體實施方式】
[0016]本發明涉及一種應用於康復訓練的振動機械電子裝置，下面結合具體實施例和附圖對本發明作詳細說明，但並不因此而限制本發明的內容。以下所稱的未加其他前置限定的「裝置」，均指應用於康復訓練的振動機械電子裝置。
[0017]圖1所示，為整個裝置的功能結構框圖；裝置包括控制系統、電子電路和機械振子;
[0018]控制系統包括上位機、顯示器、輸入設備；其中，上位機的存儲器中配置有labview開發環境，上位機配置有串行接口，該串行接口與電子電路中的微處理器通過串行接口連接；通過labview程序根據輸入信息，輸出相應的控制信號。輸入信息包括地址選擇數據、頻率選擇數據和模式選擇數據；地址選擇用於多個電子電路級聯擴展時，用以對輸入的地址選擇數據所對應的電子電路進行單獨控制。振動頻率選擇用於生成PWM波的佔空比改變，PWM波的頻率控制振動的啟動和停止，PWM波的頻率、佔空比均可變。上位機中預先存儲了 3種功能性模式及若干種基本模式，其中，功能性模式1的振動頻率為20-50Hz，振幅為1.5-10mm範圍內的任意值，其主要的功能是迅速緩解疲勞；功能性模式2的振動頻率為80-120HZ，振幅為0.1-0.5mm範圍內的任意值，其主要的功能是刺激大腦皮層運動感覺中樞；功能性模式3的振動頻率為200-300HZ，振幅為10-25 μ m範圍內的任意值，其主要的功能是刺激觸覺用於任務提示。其他若干組基本模式由用戶自主限定，模式設置時主要包含各個振子的振動時長、振動頻率、振動佔空比等。各個振子可以單獨進行控制。控制系統是由上位機的labview程序控制實現的，通過串口實現與電路的通訊，控制振子的振動幅度、頻率、振動時間、振動間隔時間等參數。
[0019]電子電路包括供電模塊，最小系統模塊，串口通信模塊，數字電位器模塊和數字功放模塊；圖2所示，為電子電路示意圖，圖中披露了電子電路所包含的各個模塊的實際硬體信息及其對應於實際PCB板的布局信息，PCB板外形尺寸為100mmX80mm ；
[0020]其中:供電模塊包括電源接口 1和/或7、穩壓晶片6和串接於電源接口和穩壓晶片6之間的開關，供電模塊採用晶片將9V/DC轉化為5V/DC，並採用二極體，進行防接反保護，如果外接電源接反，二極體不導通，不會燒壞系統，二極體的型號為1N5822，開關2控制電路板的通電與斷電。
[0021]其中:最小系統模塊包括微處理器4、地址設定開關5，地址設定開關5—端接高電平，另一端連接至微處理器4的可用引腳，地址設定開關5通過撥檔開關，進行設定系統的地址，當電路板通過串口串聯時，通過撥檔開關的排列組合形成不同的地址，控制不同的電路板進行工作。在驗證設計中，微處理器4的型號可選擇ATMEGA16，微處理器能夠選擇不同的地址來控制不同的振子，同時最主要功能是實時接收工控機發出的串口指令，及時的改變控制參數，調整振動頻率、振幅、振動時間以及間隔時間。地址設定開關5的型號可選擇4位撥檔開關作為地址設定開關5，故而能尋址的地址範圍為24個，S卩16個。通過地址設定開關5選擇驅動的電路板，控制板上的機械振子12或13不同的振動皮率、振幅、振動時間，振動間隔時間等參數工作，完成不同的任務要求如緩解疲勞、刺激神經核動作提示等。
[0022]其中:串口通信模塊包括第一串口接口 3和第二串口接口 9，第一串口接口 3與上位機的串行接口連接；第二串口接口 9平行連接至另一電子電路中的串口接口 3進行串聯擴展，串聯擴展時，前一個電子電路中的第一串口接口 3連接至上位機串行口，前一個電子電路中的第二串口接口 9連接至後一個電子電路中的第一串口接口 3，如此串行連接。串接的最大數量不超過撥檔開關所限定的尋址範圍。同時，串口通信模塊完成TTL電平和232電平的轉換。
[0023]其中:數字電位器模塊包括數字電位器10，數字電位器10的變阻端與功率放大器8的控制端連接，數字電位器10的兩個電阻終端分別連接至地線和微處理器的PWM信號輸出埠。改變數字電位器的電阻改變振子兩端的電壓，從而改變振子的振幅。振動過程可分成兩個時期:振動期和間隔期；PWM波的輸入時間長度決定振子的振動時間長度，當需要振子振動時輸入PWM波，當要切斷振動時，停止PWM波的輸入，所以通過輸入和中斷PWM波可以完成振動時間長度的控制。在振動期內，通過改變PWM波的佔空比可以改變振子的振動頻率。在驗證設計中，數字電位器10的型號為MCP41010，1個電子電路中配置4個數字電位器。
[0024]其中:數字功放模塊包含功率放大器8和機械振子接口 11，功率放大器8控制端連接至數字電位器10的滑動端，功率放大器8將數字電位器10的輸出信號放大後，再經由輸出端連接機械振子接口 11，可以直接驅動振子振動。在驗證設計中，功率放大器8的型號為TPA2000D2，2片TPA2000D2能驅動4路振子，經過完全串聯擴展後能夠獨立驅動的最大振子數量為64路。使用的功率放大器TPA2000D2能夠不增加成本的基礎上得到較低的失真度和較高的信噪比，使輸入信號更準確控制振子振動。
[0025]機械振子是利用電磁繼電器原理工作的機械振子12，與電子電路中的機械振子接口 11相連。機械振子直徑30mm,厚度8_。機械振子是由線圈、銜鐵、彈簧片、觸點等組成的，通過線圈得電和失電實現銜鐵的吸合、釋放，從而達到了在機械振動的效果，可以實現的頻率範圍是0-300HZ。
[0026]一種基於上述裝置的康復訓練方法，包含以下步驟:
[0027]步驟1:根據康復訓練位置，選擇1?64之間任意整數個機械振子，振子的振動模式彼此獨立，互不幹擾；
[0028]步驟2:將機械振子置於需要進行康復訓練的部位。
[0029]步驟3:通過上位機，獨立選擇各個機械振子的振動頻率、振幅、振動時間和振動時間間隔，或者直接選擇上位機中已設定好的振動模式；已設定好的振動模式包括模式1、模式2和模式3，模式1的振動頻率為20-50Hz，主要康復功能為緩解疲勞；模式2的振動頻率為80-120HZ，主要康復功能為刺激大腦皮層運動感覺中樞；模式3的振動頻率為200-300Hz，主要康復功能為刺激觸覺用於任務提示；
[0030]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種用於康復訓練的機械振動電子裝置，其特徵在於:包括電子電路、控制系統和機械振子； 所述電子電路包括供電模塊，最小系統模塊，串口通信模塊，數字電位器模塊和數字功放模塊；供電模塊包括電源接口⑴或(7)、穩壓晶片(6)和串接於電源接口和穩壓晶片(6)之間的開關(2);最小系統模塊包括微處理器(4)、地址設定開關(5)，地址設定開關一端接高電平，另一端連接至微處理器(4)的可用引腳；串口通信模塊包括第一串口接口(3)和第二串口接口(9)，第一串口接口(3)與上位機的串行接口連接；第二串口接口(9)平行連接至另一電子電路中的串口接口(9)進行串聯擴展；數字電位器模塊包括數字電位器(10)，數字電位器(10)控制端通過SPI總線與微處理器(4)連接，數字電位器(10)的兩個終端分別連接至地線和微處理器的PWM信號輸出埠 ；數字功放模塊包含功率放大器(8)和機械振子接口(11)，功率放大器(8)控制端連接至數字電位器(10)的滑動端，功率放大器(8)放大信號的輸出端連接機械振子接口(11)； 所述機械振子是利用電磁繼電器原理工作的機械振子(12)，與電子電路中的機械振子接口(11)相連； 所述控制系統包括上位機、顯示器；上位機與微處理器通過串行接口連接，上位機配置有輸入設備，根據輸入信息控制機械振子完成不同參數的振動。
2.一種基於權利要求1所述裝置的康復訓練方法，其特徵在於:該方法包含以下步驟: 步驟1:根據康復訓練位置，選擇I?64之間任意整數個機械振子，振子的振動模式彼此獨立，互不幹擾； 步驟2:將機械振子置於需要進行康復訓練的部位； 步驟3:通過上位機，獨立選擇各個機械振子的振動頻率、振幅、振動時間和振動時間間隔，或者選擇上位機中已設定好的振動模式；所述已設定好的振動模式包括模式1、模式2和模式3，模式I的振動頻率為20-50Hz，主要康復功能為緩解疲勞；模式2的振動頻率為80-120HZ，主要康復功能為刺激大腦皮層運動感覺中樞；模式3的振動頻率為200-300HZ，主要康復功能為刺激觸覺用於任務提示。
【文檔編號】A61H23/02GK104306143SQ201410528198
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月9日 優先權日:2014年10月9日
【發明者】季林紅, 隋建鋒, 洪躍鎮 申請人:清華大學