本發(fā)明屬于機(jī)械電子領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練的振動(dòng)機(jī)械電子裝置。

背景技術(shù)：

體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)，提高運(yùn)動(dòng)和康復(fù)訓(xùn)練的效率，無論對于體育事業(yè)的發(fā)展還是康復(fù)工程的進(jìn)步都有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

人和動(dòng)物有多種途徑獲取外部信息，其中重要的是感覺系統(tǒng)，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(jìn)行加工融合以判斷外界情況。觸覺是動(dòng)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(yīng)現(xiàn)狀、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。多數(shù)動(dòng)物的觸覺器是遍布全身的，像人的皮膚位于人的體表，依靠表皮的游離神經(jīng)末梢能感受溫度等。振動(dòng)的敏感性取決于振動(dòng)位置、振動(dòng)幅度、頻率、接觸面積、時(shí)間以及受試者性別、年齡、皮膚狀況等。

機(jī)械振動(dòng)應(yīng)用研究就要集中在以下三個(gè)方面：1.體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練時(shí)緩解肌肉緊張和疲勞，提高平衡性、協(xié)調(diào)性和肌肉耐力，防止骨質(zhì)疏松，體感音樂能夠有效緩解和放松肌肉痙攣，放松心情；2．能夠有效刺激到神經(jīng)纖維，產(chǎn)生I波，有效刺激到大腦皮層運(yùn)動(dòng)感覺區(qū)激發(fā)運(yùn)動(dòng)電位，提高運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的有效性，有助于大腦皮層神經(jīng)的重塑，治療足下垂改善步態(tài)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(dǎo)航、軍事應(yīng)用等方面。

針對目前市場上產(chǎn)品的現(xiàn)狀，本發(fā)明提出了用于機(jī)械振動(dòng)的一種新型系統(tǒng)，本發(fā)明由電子電路、機(jī)械振子、控制系統(tǒng)構(gòu)成，采用PWM波的控制方式，使輸出電壓頻率、大小發(fā)生變化，驅(qū)動(dòng)所控制的機(jī)械振子實(shí)現(xiàn)不同頻率、振幅、振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)間隔時(shí)間的變化，用于康復(fù)訓(xùn)練的神經(jīng)刺激和動(dòng)作提示的功能。本發(fā)明在康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域特別是機(jī)械振動(dòng)刺激領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

l、本發(fā)明的目的是提出一種用于康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)械振動(dòng)電子裝置，應(yīng)用于中樞神經(jīng)損傷等患者康復(fù)訓(xùn)練的神經(jīng)刺激和動(dòng)作提示領(lǐng)域，其特征在于，包括電子電路、控制系統(tǒng)和機(jī)械振子；

電子電路包括供電模塊，最小系統(tǒng)模塊，串口通信模塊，數(shù)字電位器模塊和數(shù)字功放模塊；供電模塊包括電源接口l或7、穩(wěn)壓芯片6和串接于電源接口和穩(wěn)壓芯片6之間的開關(guān)2；最小系統(tǒng)模塊包括微處理器4、地址設(shè)定開關(guān)5，地址設(shè)定開關(guān)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(jī)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(jìn)行串聯(lián)擴(kuò)展；數(shù)字電位器模塊包括數(shù)字電位器10，數(shù)字電位器10控制端通過SPI總線與微處理器4連接，數(shù)字電位器10的兩個(gè)終端分別連接至地線和微處理器的PWM信號輸出端口；數(shù)字功放模塊包含功率放大器8和機(jī)械振子接口11，功率放大器8控制端連接至數(shù)字電位器10的滑動(dòng)端，功率放大器8放大信號的輸出端連接機(jī)械振子接口11；

機(jī)械振子是利用電磁繼電器原理工作的機(jī)械振子12，與電子電路中的機(jī)械振子接口11相連；

控制系統(tǒng)包括上位機(jī)、顯示器；上位機(jī)與微處理器通過串行接口連接，上位機(jī)配置有輸入設(shè)備，根據(jù)輸入信息控制機(jī)械振子完成不同參數(shù)的振動(dòng)。

上位機(jī)通過電子電路控制機(jī)械振子實(shí)現(xiàn)不同頻率、振幅、振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)間隔時(shí)間的機(jī)械振動(dòng)完成任務(wù)，如頻率在20~50Hz，振幅1.5~l0mm范圍內(nèi)的任意值，緩解疲勞，頻率80~120Hz，振幅為0.1~0.5mm范圍內(nèi)的任意值時(shí)刺激大腦皮層運(yùn)動(dòng)感覺中樞，頻率200~300Hz，振幅為10~25um范圍內(nèi)的任意值時(shí)時(shí)刺激觸覺用于任務(wù)提示。用振動(dòng)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練振動(dòng)時(shí)，可以選擇不同的振動(dòng)頻率組合實(shí)現(xiàn)不同的康復(fù)訓(xùn)練方案。比如，采用幾個(gè)不同的振子，分別設(shè)定不同的振動(dòng)頻率，當(dāng)頻率在45Hz振幅5mm時(shí)，可以緩解患者的疲勞，當(dāng)振動(dòng)頻率在250Hz振幅15um時(shí)，可以幫助患者提示，完成訓(xùn)練任務(wù)。所以通過這兩組振動(dòng)頻率振幅的組合，可以提示患者完成任務(wù)的同時(shí)緩解由于訓(xùn)練帶來的疲勞感。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明布局合理，機(jī)械振動(dòng)電子裝置將可用于康復(fù)訓(xùn)練，通過頻率和振幅的組合選擇實(shí)現(xiàn)緩解疲勞、刺激神經(jīng)、動(dòng)作提示的功能；電路布置簡單合理，穩(wěn)定性強(qiáng)；機(jī)械振子響應(yīng)速度快、性能良好、振動(dòng)噪音小、符合人體工程學(xué)；通過頻率、振幅、振動(dòng)時(shí)間的選擇，針對不同振動(dòng)刺激的敏感性實(shí)現(xiàn)了不同的功能。針對患者患病早期不同的訓(xùn)練目標(biāo)提供高效率的康復(fù)任務(wù)，踝關(guān)節(jié)的突然釋放的運(yùn)動(dòng)方式與髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)和足底往復(fù)機(jī)構(gòu)相互配合，在節(jié)律性運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上提供一種非節(jié)律性擾動(dòng)。在訓(xùn)練患者相應(yīng)肌肉群的同時(shí)，刺激患者與之相關(guān)聯(lián)的體神經(jīng)和大腦神經(jīng)，使得康復(fù)訓(xùn)練更系統(tǒng)更完整。

附圖說明

圖1為系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為系統(tǒng)電子電路模塊圖。

圖中：1、電源接口l；2、開關(guān)；3、串口接口F；4、最小系統(tǒng)；5、地址設(shè)定開關(guān)；6、穩(wěn)壓芯片；7、電源接口2；8、功率放大芯片；9、串口接口M；10、數(shù)字電位器；11、振子接口；12、機(jī)械振子。

具體實(shí)施方式

如圖l所示，為整個(gè)裝置的功能結(jié)構(gòu)框圖；裝置包括控制系統(tǒng)、電子電路和機(jī)械振子；

控制系統(tǒng)包括上位機(jī)、顯示器、輸入設(shè)備；其中，上位機(jī)的存儲器中配置有l(wèi)abview開發(fā)環(huán)境，上位機(jī)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(jù)輸入信息，輸出相應(yīng)的控制信號。輸入信息包括地址選擇數(shù)據(jù)、頻率選擇數(shù)據(jù)和模式選擇數(shù)據(jù)；地址選擇用于多個(gè)電子電路級聯(lián)擴(kuò)展時(shí)，用以對輸入的地址選擇數(shù)據(jù)所對應(yīng)的電子電路進(jìn)行單獨(dú)控制。振動(dòng)頻率選擇用于生成PWM波的占空比改變，PWM波的頻率控制振動(dòng)的啟動(dòng)和停止，PWM波的頻率、占空比均可變。上位機(jī)中預(yù)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l的振動(dòng)頻率為20~50Hz，振幅為1.5~l0mm范圍內(nèi)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(dòng)頻率為80~120Hz，振幅為0.1~0.5mm范圍內(nèi)的任意值，其主要的功能是刺激大腦皮層運(yùn)動(dòng)感覺中樞；功能性模式3的振動(dòng)頻率為200~300Hz，振幅為10~25um范圍內(nèi)的任意值，其主要的功能是刺激觸覺用于任務(wù)提示。其他若干組基本模式由用戶自主限定，模式設(shè)置時(shí)主要包含各個(gè)振子的振動(dòng)時(shí)長、振動(dòng)頻率、振動(dòng)占空比等。各個(gè)振子可以單獨(dú)進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)是由上位機(jī)的labview程序控制實(shí)現(xiàn)的，通過串口實(shí)現(xiàn)與電路的通訊，控制振子的振動(dòng)幅度、頻率、振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)間隔時(shí)間等參數(shù)。

電子電路包括供電模塊，最小系統(tǒng)模塊，串口通信模塊，數(shù)字電位器模塊和數(shù)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(gè)模塊的實(shí)際硬件信息及其對應(yīng)于實(shí)際PCB板的布局信息，PCB板外形尺寸為l00mm×80mm；其中：供電模塊包括電源接口l和／或7、穩(wěn)壓芯片6和串接于電源接口和穩(wěn)壓芯片6之間的開關(guān)，供電模塊采用芯片將9V/DC轉(zhuǎn)化為5V/DC，并采用二極管，進(jìn)行防接反保護(hù)，如果外接電源接反，二極管不導(dǎo)通，不會燒壞系統(tǒng)，二極管的型號為IN5822，開關(guān)2控制電路板的通電與斷電。

其中：最小系統(tǒng)模塊包括微處理器4、地址設(shè)定開關(guān)5，地址設(shè)定開關(guān)5一端接高電平，另一端連接至微處理器4的可用引腳，地址設(shè)定開關(guān)5通過撥檔開關(guān)，進(jìn)行設(shè)定系統(tǒng)的地址，當(dāng)電路板通過串口串聯(lián)時(shí)，通過撥檔開關(guān)的排列組合形成不同的地址，控制不同的電路板進(jìn)行工作。在驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(shí)最主要功能是實(shí)時(shí)接收工控機(jī)發(fā)出的串口指令，及時(shí)的改變控制參數(shù)，調(diào)整振動(dòng)頻率、振幅、振動(dòng)時(shí)間以及間隔時(shí)間。地址設(shè)定開關(guān)5的型號可選擇4位撥檔開關(guān)作為地址設(shè)定開關(guān)5，故而能尋址的地址范圍為24個(gè)，即16個(gè)。通過地址設(shè)定開關(guān)5選擇驅(qū)動(dòng)的電路板，控制板上的機(jī)械振子12或13不同的振動(dòng)皮率、振幅、振動(dòng)時(shí)間，振動(dòng)間隔時(shí)間等參數(shù)工作，完成不同的任務(wù)要求如緩解疲勞、刺激神經(jīng)核動(dòng)作提示等。

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(jī)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(jìn)行串聯(lián)擴(kuò)展，串聯(lián)擴(kuò)展時(shí)，前一個(gè)電子電路中的第一串口接口3連接至上位機(jī)串行口，前一個(gè)電子電路中的第二串口接口9連接至后一個(gè)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(shù)量不超過撥檔開關(guān)所限定的尋址范圍。同時(shí)，串口通信模塊完成TTL電平和232電平的轉(zhuǎn)換。

其中：數(shù)字電位器模塊包括數(shù)字電位器10，數(shù)字電位器10的變阻端與功率放大器8的控制端連接，數(shù)字電位器10的兩個(gè)電阻終端分別連接至地線和微處理器的PWM信號輸出端口。改變數(shù)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(dòng)過程可分成兩個(gè)時(shí)期：振動(dòng)期和間隔期；PWM波的輸入時(shí)間長度決定振子的振動(dòng)時(shí)間長度，當(dāng)需要振子振動(dòng)時(shí)輸入PWM波，當(dāng)要切斷振動(dòng)時(shí)，停止PWM波的輸入，所以通過輸入和中斷PWM波可以完成振動(dòng)時(shí)間長度的控制。在振動(dòng)期內(nèi)，通過改變PWM波的占空比可以改變振子的振動(dòng)頻率。在驗(yàn)證設(shè)計(jì)中，數(shù)字電位器10的型號為MCP41010，1個(gè)電子電路中配置4個(gè)數(shù)字電位器。

其中：數(shù)字功放模塊包含功率放大器8和機(jī)械振子接口11，功率放大器8控制端連接至數(shù)字電位器10的滑動(dòng)端，功率放大器8將數(shù)字電位器10的輸出信號放大后，再經(jīng)由輸出端連接機(jī)械振子接口11，可以直接驅(qū)動(dòng)振子振動(dòng)。在驗(yàn)證設(shè)計(jì)中，功率放大器8的型號為TPA2000D2，2片TPA2000D2能驅(qū)動(dòng)4路振子，經(jīng)過完全串聯(lián)擴(kuò)展后能夠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的最大振子數(shù)量為64路。使用的功率放大器TPA2000D2能夠不增加成本的基礎(chǔ)上得到較低的失真度和較高的信噪比，使輸入信號更準(zhǔn)確控制振子振動(dòng)。

機(jī)械振子是利用電磁繼電器原理工作的機(jī)械振子12，與電子電路中的機(jī)械振子接口11相連。機(jī)械振子直徑30mm，厚度8mm。機(jī)械振子是由線圈、銜鐵、彈簧片、觸點(diǎn)等組成的，通過線圈得電和失電實(shí)現(xiàn)銜鐵的吸合、釋放，從而達(dá)到了在機(jī)械振動(dòng)的效果，可以實(shí)現(xiàn)的頻率范圍是0~300Hz。

一種基于上述裝置的康復(fù)訓(xùn)練方法，包含以下步驟：步驟l：根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練位置，選擇1～64之間任意整數(shù)個(gè)機(jī)械振子，振子的振動(dòng)模式彼此獨(dú)立，互不干擾；步驟2：將機(jī)械振子置于需要進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的部位。步驟3：通過上位機(jī)，獨(dú)立選擇各個(gè)機(jī)械振子的振動(dòng)頻率、振幅、振動(dòng)時(shí)間和振動(dòng)時(shí)間間隔，或者直接選擇上位機(jī)中已設(shè)定好的振動(dòng)模式；已設(shè)定好的振動(dòng)模式包括模式l、模式2和模式3，模式l的振動(dòng)頻率為20~50Hz，主要康復(fù)功能為緩解疲勞；模式2的振動(dòng)頻率為80~120Hz，主要康復(fù)功能為刺激大腦皮層運(yùn)動(dòng)感覺中樞；模式3的振動(dòng)頻率為200~300Hz，主要康復(fù)功能為刺激觸覺用于任務(wù)提示；

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。