本發(fā)明屬于技術(shù)領(lǐng)域醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種醫(yī)療擺動平臺及其控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

腦卒中或者由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損，出現(xiàn)偏癱，偏身感覺障礙等，而當(dāng)小腦、腦干損害時更是出現(xiàn)平衡功能障礙。科學(xué)合理的對腦卒中患者的平衡功能進行評估和分析，有助于客觀評定患者的運動能力、了解患者病情嚴(yán)重程度。但是目前國內(nèi)還沒有一款方便，實用的設(shè)備來幫助醫(yī)生診療。該實驗平臺必須有一定的承載能力，安全系數(shù)一定要高，平臺晃動的頻率要低，不能急速晃動，晃動的角度變化要均勻，角度控制在±15°左右，測試實驗室環(huán)境要求高，要求平臺不能用液壓驅(qū)動，同時噪聲不能太大。

目前市面上還沒有滿足要求的設(shè)備，或者因為體積太大或者價格太貴，而不能滿足要求，這就使得研制一臺價格低廉，精度高，適用場地范圍廣的實驗平臺非常有必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種醫(yī)療擺動平臺及其控制系統(tǒng)。

本發(fā)明包括擺動平臺機構(gòu)、平臺扶手裝置和擺動平臺電控裝置。所述的擺動平臺機構(gòu)，包括步態(tài)測力板、擺動平板、左支撐桿、右支撐桿、平臺底座、擺動機構(gòu)。擺動平臺機構(gòu)的步態(tài)測力板和平臺底座之間設(shè)置有外罩，擺動平板、左支撐桿、右支撐桿以及擺動機構(gòu)均設(shè)置在外罩內(nèi)部。擺動平臺機構(gòu)在外置的擺動平臺電控裝置的控制下工作。

步態(tài)測力板由上板、中板、下板三部分組成，中板設(shè)置在上板與下板中間。步態(tài)測力板上板支撐人體站立；步態(tài)測力板中板四個角上固定有四個三維度力傳感器。步態(tài)測力板下板通過螺栓與擺動平板連接，擺動平板的上表面與步態(tài)測力板下板相貼合。左支撐桿、右支撐桿的頂部通過微型軸承座與擺動平板的下表面連接；微型軸承座自帶開孔，通過螺栓螺母固定在擺動平板下表面的兩側(cè)；左支撐桿、右支撐桿頂部有開孔，與微型軸承座進行銷連接。左右支撐桿垂直設(shè)置在平臺底座上，底部固定設(shè)置在平臺底座上；擺動機構(gòu)包括底座、電機和推桿。底座傾斜設(shè)置在擺動機構(gòu)的底部；底座底面設(shè)置有開孔的定位桿，與平行固定在平臺底座中部的兩個微型軸承座銷連接。電機和推桿平行設(shè)置在底座的頂面，電機輸出軸與推桿的一端之間通過皮帶輪連接，皮帶輪設(shè)置在底座內(nèi)；推桿內(nèi)部集成有絲桿螺母機構(gòu)，推桿的另一端開有孔與固定在擺動平板下表面中部的兩個微型軸承座銷連接。

所述的擺動平臺的擺動規(guī)律如下：

電機采用伺服電機，電機編碼器的分辨率為131072，采用4位頻，電子齒輪比設(shè)置為(32768/1000)，也就是4000個脈沖電機旋轉(zhuǎn)一圈。電機與電推桿之間的齒輪比為1.5。電推桿的導(dǎo)程為5mm。

電推桿推出速度與脈沖頻率的函數(shù)為：

其中：v為推桿的伸出速度；μ為脈沖頻率

電推桿伸出量與擺動平板角度之間的函數(shù)為：

其中：θ為擺動平板與水平方向的銳夾角；x為推桿的伸出量；a為電推桿上頂點與擺動平板中間支點的水平距離；b為擺動平板中間支點與電推桿下支點的距離；c為電推桿初始長度。

當(dāng)θ為正時，擺動平板左高右低；當(dāng)θ為負時，擺動平板左低右高。

通過控制脈沖的頻率來決定電推桿的速度，上位機設(shè)置好脈沖頻率，擺動平臺的角度θ會隨著推桿勻速伸出而按照公式變化。

所述的平臺扶手裝置包括踏板，兩立柱，扶手。兩立柱設(shè)置在擺動平臺機構(gòu)靠右支撐桿一側(cè)；踏板放置在兩立柱中間，踏板兩側(cè)開有孔，兩立柱下端與踏板開孔對應(yīng)位置開有孔，立柱下端與踏板固定連接。扶手設(shè)置在兩立柱頂部兩凹槽內(nèi)。

所述的擺動平臺電控裝置集成在一個抗電阻燃的盒子中，包括采集模塊、驅(qū)動模塊、到位開關(guān)模塊和電源模塊。采集模塊用于數(shù)據(jù)采集，驅(qū)動模塊用于驅(qū)動電機，到位開關(guān)模塊控制水平位置以及防止發(fā)生頂缸現(xiàn)象，電源模塊用于為各模塊提供電源。

所述的采集模塊包括數(shù)據(jù)采集卡u1和步態(tài)測力板公頭j，數(shù)據(jù)采集卡u1上ai0～ai5輸入依次與步態(tài)測力板公頭j中的1～6腳連接；步態(tài)測力板公頭j中14～20腳與數(shù)據(jù)采集卡u1上的接地腳連接。數(shù)據(jù)采集卡u1上的接地腳接地，數(shù)據(jù)采集卡u1上的+5v腳接5v開關(guān)電源的正極。步態(tài)測力板通過步態(tài)測力板公頭j與上位機電連接。所述的驅(qū)動模塊包括數(shù)據(jù)采集卡u1和伺服電機驅(qū)動器d1。數(shù)據(jù)采集卡u1上的do0輸出引腳與驅(qū)動器d1的26腳連接，do1與驅(qū)動器d1的30腳連接，驅(qū)動器d1的27和31腳與數(shù)據(jù)采集卡u1上的接地腳連接。驅(qū)動器d1的1腳和3腳接24v開關(guān)電源的正極，2腳和4腳接24v開關(guān)電源的負極。所述的到位開關(guān)模塊包括三個接近開關(guān)sw1、sw2、sw3，接近開關(guān)安裝在推桿外殼上，負責(zé)三個極限位置，最近位置，中間平衡位置以及最遠位置，三個繼電器k1、k2、k3分別對應(yīng)三個接近開關(guān)，三個接近開關(guān)sw1、sw2、sw3的正極分別與三個繼電器k1、k2、k3的14腳相連，繼電器k1、k2、k3的13腳接24v開關(guān)電源的負極，繼電器k1的9腳接數(shù)據(jù)采集卡u1的di0腳，繼電器k2的9腳接數(shù)據(jù)采集卡u1的di1腳，繼電器k3的9腳接數(shù)據(jù)采集卡u1的di2引腳，安裝接近開關(guān)的推桿外殼接地。tb1510l為接線端子。所述的電源模塊12包括5v開關(guān)電源dc1和24v開關(guān)電源dc2，5v開關(guān)電源是給采集模塊9供電，24v開關(guān)電源是給驅(qū)動模塊以及到位開關(guān)模塊供電；在220v電源火線和零線(n)上外接一個電源濾波器l，并聯(lián)一個電源指示燈ld，一個帶燈自鎖按鈕s2、一個漏電保護s1，保證安全。電源濾波器lb的l腳接220v電源火線；開關(guān)電源dc1的1腳、開關(guān)電源dc2的1腳接電源濾波器lb的l’腳；電源濾波器lb的n腳接220v電源零線；開關(guān)電源dc1的2腳、開關(guān)電源dc2的2腳接電源濾波器lb的n’腳；電源濾波器lb的接地腳、開關(guān)電源dc1的接地腳、開關(guān)電源dc2的接地腳接地。開關(guān)電源dc1的4腳和5腳連接后作為5v開關(guān)電源的正極，開關(guān)電源dc1的6腳和7腳連接后作為5v開關(guān)電源的負極；開關(guān)電源dc2的4腳和5腳連接后串聯(lián)一個保險絲fu作為24v開關(guān)電源的正極，開關(guān)電源dc2的6腳和7腳連接后作為24v開關(guān)電源的負極。數(shù)據(jù)采集卡u2采用研華4704，伺服電機驅(qū)動器d1采用禾川伺服sv-x3da075-d。

所述的步態(tài)測力板下板的四個角開有四個開孔，擺動平板對應(yīng)步態(tài)測力板下板開孔位置設(shè)置有自攻螺紋，擺動平板通過螺栓與步態(tài)測力板下板連接。

所述的銷的外部套有銅套。

所述的左右支撐桿焊接在平臺底座上。

所述的踏板為臺階型。

所述的兩立柱下端與踏板通過螺栓螺母固定。

所述的扶手一端開有長孔，放置扶手開有長孔側(cè)的立柱凹槽兩側(cè)有開孔，該側(cè)凹槽與扶手銷連接。

所述的擺動平板、左右支撐桿、平臺底座采用合金制造。

本發(fā)明的擺動平臺采用的是電機帶動推桿驅(qū)動，工作穩(wěn)定性好，適用范圍廣，裝置中擺動平板，左右支撐桿，平臺底座采用合金制造，在保證強度的要求下，設(shè)備輕便，制造周期短。結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，成本很低。擺動平臺中間采用鏤空設(shè)計，既可以防止電機觸碰上板，又可以減輕重量。同時采用齒輪加速機構(gòu)，推桿內(nèi)部的絲桿螺母機構(gòu)，兩者都能自鎖,保證了平臺擺動的穩(wěn)定性。電機采用的是伺服電機，加上控制系統(tǒng)，此擺動平臺可以實現(xiàn)不同速度下的勻速擺動，實現(xiàn)了擺動角度可調(diào)，擺動速度可調(diào)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為步態(tài)測力板中板的傳感器位置示意圖；

圖3為圖1中擺動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為電機和推桿的連接示意圖；

圖5為擺動平臺的擺動軌跡示意圖；

圖6-1為扶手與立柱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6-2為扶手的使用狀態(tài)示意圖；

圖7為擺動平臺電控裝置的模塊圖；

圖8為圖7中采集模塊的電路圖；

圖9為圖7中驅(qū)動模塊的電路圖；

圖10為圖7中到位開關(guān)模塊的電路；

圖11為圖7中電源模塊的電路圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種醫(yī)療擺動平臺,是電動推桿驅(qū)動的重心檢測平臺，能夠讓實驗人員方便快捷的進行精密的測試實驗，并且能夠保證設(shè)備的安全性和測試的可靠性。

如圖1所示,一種醫(yī)療擺動平臺及其控制系統(tǒng),包括擺動平臺機構(gòu)、平臺扶手裝置和擺動平臺電控裝置。

擺動平臺機構(gòu)，包括步態(tài)測力板1、擺動平板2、左支撐桿3-1、右支撐桿3-2、平臺底座4、擺動機構(gòu)5。擺動平臺機構(gòu)的步態(tài)測力板1和平臺底座4之間設(shè)置有外罩，擺動平板2、左支撐桿3-1、右支撐桿3-2以及擺動機構(gòu)5均設(shè)置在外罩內(nèi)部。擺動平板2、左右支撐桿、平臺底座4采用合金制造。

步態(tài)測力板1由上板、中板、下板三部分組成，中板設(shè)置在上板與下板中間。步態(tài)測力板上板支撐人體站立；如圖2所示，步態(tài)測力板中板四個角上固定有四個三維度力傳感器。步態(tài)測力板下板的四個角開有四個開孔，擺動平板2對應(yīng)步態(tài)測力板下板開孔位置設(shè)置有自攻螺紋，擺動平板2通過螺栓與步態(tài)測力板下板連接；擺動平板2的上表面與步態(tài)測力板下板相貼合。左支撐桿3-1、右支撐桿3-2的頂部通過微型軸承座與擺動平板2的下表面連接；微型軸承座自帶開孔，通過螺栓螺母固定在擺動平板2下表面的兩側(cè)；左支撐桿3-1、右支撐桿3-2頂部有開孔，與微型軸承座進行銷連接，銷的外部套有銅套。左右支撐桿垂直設(shè)置在平臺底座上，底部固定設(shè)置在平臺底座上；作為優(yōu)選，左右支撐桿焊接在平臺底座上。

如圖3所示，擺動機構(gòu)5包括底座5-1、電機5-2和推桿5-3。底座5-1傾斜設(shè)置在擺動機構(gòu)5的底部；底座5-1底面設(shè)置有開孔的定位桿，與平行固定在平臺底座中部的兩個微型軸承座銷連接，銷的外部套有銅套。電機5-2和推桿5-3平行設(shè)置在底座5-1的頂面，如圖4所示，電機輸出軸與推桿的一端之間通過皮帶輪連接，皮帶輪設(shè)置在底座5-1內(nèi)；推桿5-3內(nèi)部集成有絲桿螺母機構(gòu)，推桿5-3的另一端開有孔與固定在擺動平板下表面中部的兩個微型軸承座銷連接，銷外部也套有銅套。

如圖5所示，擺動平臺的擺動規(guī)律如下：

本實施例中電機采用伺服電機，電機編碼器的分辨率為131072，采用4位頻，電子齒輪比設(shè)置為(32768/1000)，也就是4000個脈沖電機旋轉(zhuǎn)一圈。電機與電推桿之間的齒輪比為1.5。電推桿的導(dǎo)程為5mm。

電推桿推出速度與脈沖頻率的函數(shù)為：

其中：v為推桿的伸出速度；μ為脈沖頻率。

電推桿伸出量與擺動平板角度之間的函數(shù)為：

其中：θ為擺動平板與水平方向的銳夾角；x為推桿的伸出量；a為電推桿上頂點與擺動平板中間支點的水平距離；b為擺動平板中間支點與電推桿下支點的距離；c為電推桿初始長度。

當(dāng)θ為正時，擺動平板左高右低；當(dāng)θ為負時，擺動平板左低右高。

通過控制脈沖的頻率來決定電推桿的速度，上位機設(shè)置好脈沖頻率，擺動平臺的角度θ會隨著推桿勻速伸出而按照公式變化。

平臺扶手裝置包括踏板6，兩立柱7，扶手8。兩立柱7設(shè)置在擺動平臺機構(gòu)靠右支撐桿3-2一側(cè)；踏板6為臺階型，放置在兩立柱7中間，踏板6兩側(cè)開有孔，兩立柱7下端與踏板6開孔對應(yīng)位置開有孔，立柱下端與踏板通過螺栓螺母固定。扶手8設(shè)置在兩立柱7頂部，如圖6-1所示，扶手8一端開有長孔8-1，兩立柱7上端設(shè)置有兩凹槽，扶手8的兩端放置在兩凹槽內(nèi)；放置扶手8開有長孔8-1側(cè)的立柱凹槽兩側(cè)有開孔，該側(cè)凹槽與扶手8進行銷連接，使得扶手8能夠沿連接點旋轉(zhuǎn)，銷的外部套有銅套。

擺動平臺機構(gòu)在外置的擺動平臺電控裝置的控制下工作。

如圖7所示，擺動平臺電控裝置集成在一個抗電阻燃的盒子中，包括采集模塊9、驅(qū)動模塊10、到位開關(guān)模塊11和電源模塊12。采集模塊9用于數(shù)據(jù)采集，驅(qū)動模塊10用于驅(qū)動電機，到位開關(guān)模塊11控制水平位置以及防止發(fā)生頂缸現(xiàn)象，電源模塊12用于為各模塊提供電源。

如圖8所示，采集模塊9包括數(shù)據(jù)采集卡u1和步態(tài)測力板公頭j，數(shù)據(jù)采集卡u1上ai0～ai5輸入依次與步態(tài)測力板公頭j中的1～6腳連接；步態(tài)測力板公頭j中14～20腳與數(shù)據(jù)采集卡u1上的接地腳連接。數(shù)據(jù)采集卡u1上的接地腳接地，數(shù)據(jù)采集卡u1上的+5v腳接5v開關(guān)電源的正極。步態(tài)測力板通過步態(tài)測力板公頭j與上位機電連接。

如圖9所示，驅(qū)動模塊10包括數(shù)據(jù)采集卡u1和伺服電機驅(qū)動器d1。數(shù)據(jù)采集卡u1上的do0輸出引腳與驅(qū)動器d1的26腳連接，do1與驅(qū)動器d1的30腳連接，驅(qū)動器d1的27和31腳與數(shù)據(jù)采集卡u1上的接地腳連接。驅(qū)動器d1的1腳和3腳接24v開關(guān)電源的正極，2腳和4腳接24v開關(guān)電源的負極。

如圖10所示，到位開關(guān)模塊11包括三個接近開關(guān)sw1、sw2、sw3，接近開關(guān)安裝在推桿外殼上，分別卡在推桿外殼下端，中端，上端，位置可調(diào)，負責(zé)三個極限位置，最近位置，中間平衡位置以及最遠位置，三個繼電器k1、k2、k3分別對應(yīng)三個接近開關(guān)，三個接近開關(guān)sw1、sw2、sw3的正極分別與三個繼電器k1、k2、k3的14腳相連，繼電器k1、k2、k3的13腳接24v開關(guān)電源的負極，繼電器k1的9腳接數(shù)據(jù)采集卡u1的di0腳，繼電器k2的9腳接數(shù)據(jù)采集卡u1的di1腳，繼電器k3的9腳接數(shù)據(jù)采集卡u1的di2引腳，安裝接近開關(guān)的推桿外殼接地。tb1510l為接線端子。

如圖11所示，電源模塊12包括5v開關(guān)電源dc1和24v開關(guān)電源dc2，5v開關(guān)電源是給采集模塊9供電，24v開關(guān)電源是給驅(qū)動模塊10以及到位開關(guān)模塊11供電；在220v電源火線(l)和零線(n)上外接一個電源濾波器l，并聯(lián)一個電源指示燈ld，一個帶燈自鎖按鈕s2、一個漏電保護s1，保證安全。電源濾波器lb的l腳接220v電源火線(l)；開關(guān)電源dc1的1腳、開關(guān)電源dc2的1腳接電源濾波器lb的l’腳；電源濾波器lb的n腳接220v電源零線(n)；開關(guān)電源dc1的2腳、開關(guān)電源dc2的2腳接電源濾波器lb的n’腳；電源濾波器lb的接地腳、開關(guān)電源dc1的接地腳、開關(guān)電源dc2的接地腳接地。開關(guān)電源dc1的4腳和5腳連接后作為5v開關(guān)電源的正極，開關(guān)電源dc1的6腳和7腳連接后作為5v開關(guān)電源的負極；開關(guān)電源dc2的4腳和5腳連接后串聯(lián)一個保險絲fu作為24v開關(guān)電源的正極，開關(guān)電源dc2的6腳和7腳連接后作為24v開關(guān)電源的負極。

數(shù)據(jù)采集卡u2采用研華4704，伺服電機驅(qū)動器d1采用禾川伺服sv-x3da075-d。數(shù)據(jù)采集卡連接電腦，通過上位機軟件設(shè)置電推桿的出桿速度以及擺動平臺的擺動幅度，上位機指令通過數(shù)據(jù)采集卡傳遞給伺服電機驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機運動，三個繼電器控制電推桿上的三個接近開關(guān)，控制水平位置以及防止發(fā)生頂缸現(xiàn)象。

工作過程：

整個裝置是用來輔助醫(yī)生診斷重心檢測的平臺，醫(yī)生是通過調(diào)節(jié)上位機參數(shù)來控制平臺擺動的啟停，平臺的擺動速度以及平臺的擺動角度。先點擊上位機程序中的復(fù)位按鈕，平臺會擺動一個周期，然后停在水平位置。此時，被檢測人員站在踏板上，如圖6-2所示，被檢測人員握住扶手的活動端，是扶手相對連接銷向外移動，解鎖扶手，向上旋轉(zhuǎn)扶手后，從踏板踏入擺動平臺；然后放平扶手，向內(nèi)推扶手，鎖住扶手。然后點擊上位機程序中的開始按鈕，上位機控制數(shù)據(jù)采集卡發(fā)射信號，擺動平臺啟動；這時候，人體的重心會隨著擺動平臺的運動而變化，步態(tài)測力板通過步態(tài)測力板公頭將運動變化信息傳送給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將這些信息傳遞給上位機程序處理，然后再把處理后的重心移動軌跡顯示在屏幕上，依據(jù)軌跡來診斷人體的平衡能力。