1.本发明涉及训练器械，尤其是涉及一种等速等张肌力训练器械。
背景技术：
2.脑卒中患者在手术后的康复期中，需要根据患者状态尽快开展康复训练，以追求尽可能好的恢复效果，越早开展康复训练，恢复效果越好。现代康复理论和实践证明，有效的康复训练能够降低患者康复后的功能残疾率，改善患侧肢体活动能力，提高患者治疗满意度。目前，最常规的训练器材，就是力量训练的设备，比如哑铃、拉力器等。
3.以使用哑铃进行训练来说，患者通过克服哑铃的重量来实现锻炼肌肉的目的，哑铃一般质量较大，对于初愈的患者来说较为危险。又或者用弹性拉力绳来训练，由于弹性拉力绳是采用弹性材料形变的方式提供给患者外力，使得这种力的大小不易控制。而且以上这些常见方法，都在训练过程中储存势能，因此带有一定的危险性。
4.近年来，在运动医学和康复医学领域出现的等速运动器材很好地解决了安全隐患，其特点是根据患者所施加的力提供对应的力矩，在此过程中，器械的运动速度保持不变。使用此方法大大降低了肌肉训练过程中的危险性，然而缺点在于，用于实现等速运动的器材一般结构复杂、体积庞大、成本高昂。在脑卒中康复期中，越早开展康复训练，恢复效果越好，但脑卒中患者痊愈早期活动不便，难以移动到等速训练设备上。
技术实现要素：
5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种等速等张肌力训练器械。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种等速等张肌力训练器械，包括电机组件、紧凑弹力机构、绳索、拉手、电机驱动器、控制器和电源模块；
8.所述电机组件连接绳索的一端，所述绳索经过紧凑弹力机构后连接拉手，所述电机驱动器连接电机组件，所述控制器连接电机驱动器和紧凑弹力机构中的电子元件，所述电源模块用于为所述训练器械供电。
9.进一步地，所述电机组件包括：电机及减速箱、电机固定法兰、绞线轮毂、电机基座、轮毂底端轴承、轮毂末端轴承和卡簧；
10.所述电机及减速箱通过电机固定法兰安装在电机基座上，所述电机及减速箱的输出轴与绞线轮毂相连，所述绞线轮毂设置在电机基座内，所述绞线轮毂的底端通过轮毂底端轴承与电机基座相连，所述绞线轮毂的末端通过轮毂末端轴承与电机基座相连；
11.所述轮毂末端轴承设置在绞线轮毂远离电机及减速箱的一端，所述卡簧安装在电机基座上并压住轮毂末端轴承的末端，实现对绞线轮毂轴向位置的限制，所述绳索固定在绞线轮毂上且在所述绞线轮毂上绕线设置。
12.进一步地，所述绞线轮毂具有用于容纳固定绳索端头的凹槽结构。
13.进一步地，所述紧凑弹力机构包括滑轮组支架、直线导轨滑轨、直线导轨滑块、滑轮基座、动滑轮、输出定滑轮、输入定滑轮、分体辊子、直线位移传感器、绕线件、扭簧和连接绳；
14.所述直线导轨滑轨安装在滑轮组支架上，所述直线导轨滑块滑动安装在直线导轨滑轨上，所述滑轮基座安装在直线导轨滑块上，所述动滑轮安装在所述滑轮基座上，所述直线位移传感器安装在滑轮组支架上，所述直线位移传感器被配置为检测直线导轨滑块在所述直线导轨滑轨上的位移，所述控制器连接直线位移传感器；
15.所述输出定滑轮和输入定滑轮使用同一根销钉同轴固定于滑轮组支架上，所述动滑轮的安装姿态与输出定滑轮和输入定滑轮的安装姿态垂直，所述绳索自电机组件伸出后自上而下绕经输入定滑轮后绕至动滑轮，再从动滑轮经过输出定滑轮的底端后伸出紧凑弹力机构，所述分体辊子使用销钉固定于滑轮组支架上且位于输出定滑轮和输入定滑轮的下方，所述分体辊子用于对所述绳索进行限位；
16.所述绕线件和扭簧使用同一根销钉安装于滑轮组支架上远离输出定滑轮和输入定滑轮的一端，且不干涉直线导轨滑块在所述直线导轨滑轨上的滑动，所述绕线件可转动安装在滑轮组支架上，所述连接绳的两端分别连接绕线件和滑轮基座，所述扭簧的两端分别连接绕线件和滑轮组支架，当直线导轨滑块远离绕线件时，连接绳进而牵引绕线件转动，所述扭簧的势能增大。
17.进一步地，所述滑轮组支架和绕线件上具有盲孔结构，与销钉配合共同定位扭簧。
18.进一步地，所述绕线件具有用于容纳绳索的凹型回转结构，所述绕线件上设有用于容纳固定连接绳的端头的凹槽结构，所述动滑轮、输入定滑轮、输出定滑轮具有用于容纳绳索的凹型回转结构，所述输入定滑轮和输出定滑轮的凹型回转结构的底部对齐动滑轮的凹型回转结构，所述输入定滑轮和输出定滑轮的凹型回转结构的间距适配动滑轮的凹型回转结构的直径。
19.进一步地，还包括外壳，所述外壳包括上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体组成容纳空间，所述上壳体上还留有进出绳索的开口，电机组件、紧凑弹力机构、绳索、拉手、电机驱动器、控制器和电源模块置于所述容纳空间内。
20.进一步地，所述外壳上还设有连接件，用于将训练器械与其他器材或物体固定。
21.进一步地，在等速训练模式中，控制器使用的控制方法为：末端速度外环使用自抗扰控制、电流内环使用pi控制，同时对使用者训练过程中手臂上随机的力变化导致的力矩影响、速度影响、紧凑弹力机构位置变化进行补偿，实现对弹性结构末端绳索速度的精确控制。
22.进一步地，在等张训练模式中，控制器使用的控制方法为：末端张力外环使用pid控制、电流内环使用pi控制，同时对紧凑弹力机构中动滑轮运动过程中存在的摩擦力进行补偿，实现对弹性结构末端绳索张力的精确控制。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.本发明将原本体积巨大的等速等张训练器械进行小型化，通过部件和结构和合理化设计，能在实现便携性的同时实现与大型等速器械相同的功能，实现病床边小体积下进行等速等张肌力训练功能。
附图说明
25.图1为本发明的分零件结构示意图；
26.图2为本发明拆除外壳后的内部结构示意图；
27.图3为本发明电机与绞线结构剖视图；
28.图4为本发明紧凑弹力机构的结构剖视图；
29.图5为等速模式下的控制流程图；
30.图6为等张模式下的控制流程图；
31.图7为本发明的控制系统示意图；
32.附图标记：1、电机组件，2、紧凑弹力机构，3-1、上壳体，3-2、下壳体，4、绳索，5、拉手，6、电机驱动器，7、控制器，8、电源模块；
33.1-1、电机及减速箱，1-2、电机固定法兰，1-3、绞线轮毂，1-4、电机基座，1-5、轮毂底端轴承，1-6、轮毂末端轴承，1-7、卡簧；
34.2-1、滑轮组支架，2-2、直线导轨滑轨，2-3、直线导轨滑块，2-4、滑轮基座，2-5、动滑轮，2-6、输出定滑轮，2-7、输入定滑轮，2-8、分体辊子，2-9、直线位移传感器，2-10、绕线件，2-11、扭簧，2-12、连接绳。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例，本发明的保护范围不限于下述的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
36.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，展示各个部件之间的配合关系，附图中有些地方适当放缩了部件，并增减了部件之间的距离。
37.在本技术实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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技术的限制。
38.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.在本技术实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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技术中的具体含义。
40.实施例1：
41.一种等速等张肌力训练器械，如图1、图2所示，包括电机组件1、紧凑弹力机构2、绳索4、拉手5、电机驱动器6、控制器7和电源模块8；其中，电机组件1连接绳2-12索4的一端，绳索4经过紧凑弹力机构2后连接拉手5，电机驱动器6连接电机组件1，控制器7连接电机驱动器6和紧凑弹力机构2中的电子元件，电源模块8用于为训练器械供电。此外，还包括外壳，外壳包括上壳体3-1和下壳体3-2，上壳体3-1和下壳体3-2组成容纳空间，上壳体3-1上还留有进出绳索4的开口，电机组件1、紧凑弹力机构2、绳索4、拉手5、电机驱动器6、控制器7和电源模块8置于容纳空间内。
42.电源模块8可以是可拆卸的电池，能够在电量用尽后更换电池，此外，也可以设置电压变换装置，外接电源来使用，使其可以长时间工作而不用充电。
43.其中，如图3所示，电机组件1包括：电机及减速箱1-1、电机固定法兰1-2、绞线轮毂1-3、电机基座1-4、轮毂底端轴承1-5、轮毂末端轴承1-6和卡簧1-7；电机及减速箱1-1通过电机固定法兰1-2安装在电机基座1-4上，电机及减速箱1-1的输出轴与绞线轮毂1-3相连，绞线轮毂1-3设置在电机基座1-4内，绞线轮毂1-3的底端通过轮毂底端轴承1-5与电机基座1-4相连，绞线轮毂1-3的末端通过轮毂末端轴承1-6与电机基座1-4相连；轮毂末端轴承1-6设置在绞线轮毂1-3远离电机及减速箱1-1的一端，卡簧1-7安装在电机基座1-4上并压住轮毂末端轴承1-6的末端，实现对绞线轮毂1-3轴向位置的限制，绳索4固定在绞线轮毂1-3上且在绞线轮毂1-3上绕线设置。
44.具体的，电机驱动器6固定于外壳内腔，与电机及减速箱1-1电连接，控制器7连接电机驱动器6，用于控制电机及减速箱1-1输出，电机及减速箱1-1的输出力和输出速度可控，电机及减速箱1-1的输出轴带动绞线轮毂1-3转动，绞线轮毂1-3具有用于容纳固定绳索4端头的凹槽结构，绳索4固定在绞线轮毂1-3上，随绞线轮毂1-3额转动绳索4在绞线轮毂1-3上绕卷或者被放出。
45.如图4所示，紧凑弹力机构2(弹力结构)包括滑轮组支架2-1、直线导轨滑轨2-2、直线导轨滑块2-3、滑轮基座2-4、动滑轮2-5、输出定滑轮2-6、输入定滑轮2-7、分体辊子2-8、直线位移传感器2-9、绕线件2-10、扭簧2-11和连接绳2-12；直线导轨滑轨2-2安装在滑轮组支架2-1上，直线导轨滑块2-3滑动安装在直线导轨滑轨2-2上，滑轮基座2-4安装在直线导轨滑块2-3上，动滑轮2-5安装在滑轮基座2-4上，直线位移传感器2-9安装在滑轮组支架2-1上，直线位移传感器2-9被配置为检测直线导轨滑块2-3在直线导轨滑轨2-2上的位移，控制器7连接直线位移传感器2-9，直线位移传感器2-9固定于滑轮组支架2-1内部，减小空间占用，与动滑轮2-5的安装和工作范围相匹配；输出定滑轮2-6和输入定滑轮2-7使用同一根销钉同轴固定于滑轮组支架2-1上，动滑轮2-5的安装姿态与输出定滑轮2-6和输入定滑轮2-7的安装姿态垂直，绳索4自电机组件1伸出后自上而下绕经输入定滑轮2-7后绕至动滑轮2-5，再从动滑轮2-5经过输出定滑轮2-6的底端后伸出紧凑弹力机构2，分体辊子2-8使用销钉固定于滑轮组支架2-1上且位于输出定滑轮2-6和输入定滑轮2-7的下方，分体辊子2-8用于对绳索4进行限位；绕线件2-10和扭簧2-11使用同一根销钉安装于滑轮组支架2-1上远离输出定滑轮2-6和输入定滑轮2-7的一端，且不干涉直线导轨滑块2-3在直线导轨滑轨2-2上的滑动，绕线件2-10可转动安装在滑轮组支架2-1上，连接绳2-12的两端分别连接绕线件2-10和滑轮基座2-4，扭簧2-11的两端分别连接绕线件2-10和滑轮组支架2-1，当直线导轨滑块2-3远离绕线件2-10时，连接绳2-12进而牵引绕线件2-10转动，扭簧2-11的势能增大。
46.滑轮组支架2-1和绕线件2-10上具有盲孔结构，与销钉配合共同定位扭簧2-11，当绕线件2-10相对于滑轮组支架2-1发生转动时会造成扭簧2-11势能的变化。
47.绕线件2-10具有用于容纳绳索4的凹型回转结构，绕线件2-10上设有用于容纳固定连接绳2-12的端头的凹槽结构，动滑轮2-5、输入定滑轮2-7、输出定滑轮2-6具有用于容纳绳索4的凹型回转结构，输入定滑轮2-7和输出定滑轮2-6的凹型回转结构的底部对齐动滑轮2-5的凹型回转结构，输入定滑轮2-7和输出定滑轮2-6的凹型回转结构的间距适配动滑轮2-5的凹型回转结构的直径。
48.具体的，控制器7连接直线位移传感器2-9，获取直线导轨滑块2-3(动滑轮2-5)在直线导轨滑轨2-2上的位移，从而可以计算出扭簧2-11的势能，进而进行电机的控制。上述紧凑弹力机构2中，直线导轨滑块2-3通过螺栓固定于滑轮组支架2-1上，滑轮基座2-4通过螺栓固定于直线导轨滑块2-3上，动滑轮2-5由卡簧固定在滑轮基座2-4上。
49.直线位移传感器2-9与控制器7电连接，可以是电位型传感器，也可以选择光电式传感器、电感式传感器等等。直线位移传感器2-9可以使cpu准确获得动滑轮2-5的位置，从而进一步精确控制绳索4上的张力和运动速度。此外，控制器7也可以通过电机上自带的霍尔传感器对转子角度的累加或计算，得到绳索4伸出的距离。绳索4伸出的距离和电机的扭力能够进一步计算出患者的运动情况。
50.本技术实施例中，滑轮组支架2-1、动滑轮2-5、输出定滑轮2-6和输入定滑轮2-7组成特殊走线路径，使输出定滑轮2-6和输入定滑轮2-7统一固定，互相独立工作，减小空间占用；动滑轮2-5设置在输入定滑轮2-7和输出定滑轮2-6之间，动滑轮2-5的凹型回转结构分别与输出定滑轮2-6和输入定滑轮2-7的凹型回转结构同轴，动滑轮2-5的安装姿态与输出定滑轮2-6和输入定滑轮2-7法向，使走线路径相互平行，减小走线长度和走线所需空间。
51.紧凑弹力机构2的动力来源为固定于滑轮组支架2-1末端的、由扭簧2-11驱动的绕线件2-10，相较于常见的直线弹簧作为柔性结构的方案，这样的设计减小了长度与体积，易于携带。
52.电机基座1-4和滑轮组支架2-1可以固定在壳体上，也可以通过螺钉等将电机基座1-4与滑轮组支架2-1固定连接，将滑轮组支架2-1固定在壳体上。在壳体上的开口需要适配紧凑弹力机构2中输出定滑轮2-6，用于进出绳索4的开口与输出定滑轮2-6的凹型回转结构的圆弧部分同轴。
53.本技术实施例中，下壳体3-2作为底板，上壳体3-1为箱式结构，具有腔体，本技术实施例中，上壳体3-1和下壳体3-2沿电机基座1-4的底面延伸面扣合在一起。在外壳上还设有连接件，用于将训练器械与其他器材或物体固定。连接件可以为和/或螺栓孔，卡扣如在上壳体3-1设置卡扣和/或螺栓孔，卡扣用于与绳状物体连接，比如用绳带穿接，螺栓孔用于把本发明直接用螺栓固定在外部物体上，比如墙壁上；其他实施方式中，也可以根据需要在外壳的不同位置设置不同连接件。
54.本发明采用电机作为牵引装置，利用现有电机扭矩和速度的可控性，结合紧凑弹力机构2，实现够保证安全性的同时，根据患者的实际使用需要而变动拉力和速度的大小，训练效果更好，结构轻便，方便病床旁使用。
55.与现有器械相比，本发明将原本体积巨大的等速等张训练器械进行小型化，通过部件和结构和合理化设计，能在实现便携性的同时实现与大型等速器械相同的功能，实现
病床边小体积下进行等速等张肌力训练功能。本发明小型化、易于使用的特点，可以帮助患者以最快的速度先行开展床旁训练。
56.控制器7根据直线导轨滑块2-3(动滑轮2-5)在直线导轨滑轨2-2上的位移实时控制电机及减速箱1-1输出扭矩和速度。本技术实施例中，提供等速向心、等速离心、等距离、等张力等训练模式。
57.等速训练模式控制原理为图5流程图所示。
58.在等速训练模式中，末端速度外环运用自抗扰控制，输入为指定的速度，该算法可以计算出达到指定速度所需的电流，通过内环的pid控制算法将电流信息转化为施加在电机上的电压。电机运转过程中产生的反电动势能够被通过反馈在电流控制内环的信息抵消。具体而言，电流控制的反馈信号是通过安装在无刷直流电机每个相的霍尔传感器进行获取的。
59.在训练过程中，外部扰动以及机构本身的运动可能会导致弹力结构的形变。形变信息反映了速度干扰和扭矩产生的力干扰在训练过程中的发生，这些信息可以通过位移传感器反馈到速度控制外环中进行抵消。通过对使用者训练过程中手臂上随机力变化所产生的力矩影响、速度影响和弹力机构2位置变化进行补偿，可以实现对弹性结构末端绳索4速度的精确控制。
60.其速度外环中使用的自抗扰控制方法的核心公式为：
61.二阶非线性扩张状态观测器：
[0062][0063]
其中，z
21
表示系统状态的跟踪值、z
22
为扰动观测值，表示z
21
、z
22
对应的微分，ε
01
表示跟踪误差值，s表示系统实际状态值，β
01
、β
02
表示误差反馈增益系数，α
01
、α
02
为非线性因子，δ
01
、δ
02
为滤波因子，b0为系统控制增益，u表示输出，fal(,,)为一非线性函数；
[0064]
非线性状态误差反馈控制律：
[0065][0066]
其中，ε1为误差值，u0为非线性状态误差反馈控制律的输出，β1表示误差反馈增益系数，α1为非线性因子，δ1为非线性系统滤波因子；
[0067]
非线性函数：
[0068][0069]
其中，x为输入，α为非线性因子，δ为滤波因子。
[0070]
其等张训练模式控制原理为图6流程图所示。
[0071]
在等张训练模式中，末端张力外环采用pid控制算法，输入信息为指定大小的力，通过pid控制算法给出达到指定速度需要的电流信息，电流信息经由内环的pid控制算法，转化为施加在电机上的电压。电机运转过程中产生的反电动势经由反馈在电流控制内环抵消。具体而言，电流控制的反馈信号通过安装在无刷直流电机每个相的霍尔传感器进行获取。
[0072]
进行训练时，使用者施加的拉力会导致弹力结构的形变，形变信息反映了绳上的张力信息，张力信息经过位移传感器反馈张力控制外环。最后，张力在输出前经过了摩擦补偿，确保输出张力与给定力指令匹配。
[0073]
其张力外环中使用的pid控制方法的核心公式为：
[0074]
pid：
[0075][0076]
其中，u(t)为输出信号，k
p
为比例控制参数，ki为积分控制参数，kd为微分控制参数，e(t)为输入信号；
[0077]
摩擦力补偿：
[0078][0079][0080][0081][0082]
其中，a、b、c、为形状参数，ξ为形变长度，k为弹簧常数，f
c1
、f
c2
为修正后的绳驱动器拉力。
[0083]
此外，控制器7还可以设置存储器，以实现记录患者使用状况的数据记录功能，实现训练数据收集功能，便于协助脑卒中患者在病床旁尽快开展早期的康复训练。控制器7可在肌力训练过程中同时收集训练数据，协助进行训练评估，包括：峰值力矩、峰值力矩体重比、峰值力矩对应角度、总功率、平均功率，方便统计患者的训练效果。通过这些肌力评估指标，能够反映所训练肌群的肌力大小、肌肉的爆发力特性、肌肉的耐力、肌肉疲劳程度等，协助指导康复训练。
[0084]
还可以为控制器7添加通信模块，如图7所示，配合安装有客户端的移动设备使用，可以实现连接患者手机和/或电脑和/或云端服务器的无线通讯功能。移动设备可以是手机、平板、电脑等。客户端程序可运行在移动设备或是电脑上，安装有客户端程序的移动设备或电脑可以直接通过蓝牙、nfc或wifi连接训练器械。通过移动设备，可以发送多种数据、
控制信号给控制器7，包括但不限于等速训练中的力矩变化曲线、等张训练中的拉力数值、速度开关及休眠命令、发声命令。患者的移动设备上对应的应用程序可以接收采集的多种数据，包括但不限于患者实际的训练曲线、当前电量信息，更便于使用。
[0085]
还可以设置自动开关功能，控制器7能够控制电机及减速箱1-1在患者拉动绞线轮毂1-3旋转时，电机及减速箱1-1将自动开始工作，而无需额外的开关，患者较长时间不使用，将自动关机或休眠。
[0086]
本技术的使用过程如下：
[0087]
患者通过拉动拉手5启动训练器材，训练器材启动后会进行自检，自检通过后会发出提示音。此时，患者可以通过客户端程序选择等速训练模式，或者直接在控制器7的按钮上操作，根据患者设定的模式，通过电机驱动器6驱动电机及减速箱1-1运转。当训练器材未启动时，患者也可通过安装有客户端的移动设备启动训练器材。患者还可以通过客户端程序选择等张力训练模式，并设定需要的拉力数值，控制器7根据患者设定的值通过电机驱动器6驱动电机运转，使电机及减速箱1-1输出特定的拉力。
[0088]
本发明具有以下有益效果：
[0089]
(1)体积小巧便于携带，使用简便，能够轻松实现病床旁的早期卒中康复肌力训练以及协助训练评估。
[0090]
(2)使用紧凑的弹性结构，极大地减小了等速等张训练器械的体积，进一步保障了安全性，保证合理的输出的同时兼顾了轻便，体积小巧，方便床旁使用的特点。
[0091]
(3)等速训练模式的控制在末端速度外环使用自抗扰控制、电流内环使用pi控制，同时对训练过程中手臂上随机力变化导致的力矩影响、速度影响、弹力结构位置变化等因素的补偿，实现了对弹性结构末端速度的精确控制。
[0092]
(4)等张训练模式的控制对末端张力外环使用pid控制、电流内环使用pi控制，同时对滑轮组运动过程中存在的摩擦力进行补偿，实现了对弹性结构末端张力的精确控制。
[0093]
(5)可在肌力训练过程中同时收集训练数据，协助进行训练评估。反映训练效果，协助指导康复训练。
[0094]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。