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专利号: 2022114488829
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种用于小动物运动训练和超声刺激双重闭环康复系统,其特征在于:包括机器人辅助训练平台、超声刺激平台和分析与控制平台;

所述机器人辅助训练平台,用于对受试动物进行运动训练,并采集行为训练数据;还能够根据所述分析与控制平台的命令数据调整其对受试动物的训练运动姿态和动物跑道系统的运动速度,并将当前运动训练数据输出至所述分析与控制平台;

所述机器人辅助训练平台为一个由四块围挡(4)、电机固定板(19)和跑步台固定板(12)组成的上下两层结构的平台;所述跑步台固定板(12)和电机固定板(19)固定安装在四块围挡(4)的上下槽口上;所述机器人辅助训练平台还包括电机驱动系统、动物跑道系统、机械臂辅助训练系统和用于减轻受试动物的体重负担的减重装置;所述机械臂辅助训练系统和所述动物跑道系统放置在跑步台固定板(12)上;所述电机驱动系统放置在电机固定板(19)上;所述电机固定板(19)上开设有两条用于固定电机支架(18)的滑槽,电机支架(18)固定安装在电机固定板(19)上;

所述机械臂辅助训练系统包括两条相对设置的机械臂、平行设置的两个机械臂支撑架(14)、四根连接并固定两侧机械臂支撑架(14)的支撑架连接杆(5)和高度调节装置;每条机械臂由四个机器人舵机(11)、舵机支架(15)和1个动物踏板(8)组成;所述动物踏板(8)连接在舵机支架(15)的底部末端,与受试动物的患肢连接;所述机械臂支撑架(14)由前后两块平板和内部两条导轨组成;所述高度调节装置由滑动块(23)、滑动块螺杆(22)和固定块(3)组成;每条机械臂通过舵机支架(15)固定安装在滑动块(23)上,滑动块(23)置于机械臂支撑架(14)内设置的两条导轨上,滑动块(23)通过滑动块螺杆(22)固定在固定块(3)上,所述固定块(3)设置在机械臂支撑架(14)的顶端;拧动滑动块螺杆(22)能够调节滑动块(23)的高度,从而实现机械臂的高度调节;

所述超声刺激平台,用于对受试动物施加超声刺激作用,并同时采集动物的脑肌电数据;所述超声刺激平台包括低强度超声刺激系统、脑肌电同步采集系统和立体定位系统;所述低强度超声刺激系统包括任意波函数发生器、线性射频放大器、头戴式超声刺激器和脑肌电电极;所述脑肌电同步采集系统包括神经信号处理系统和脑肌电电极;所述立体定位系统是头戴式超声刺激器固定装置和准直器;受试动物运动训练过程中接受超声刺激,头戴式超声刺激器用超声刺激器固定装置固定于受试动物的头部,分析与控制平台将超声刺激数据发送至任意波函数发生器,任意波函数发生器输出超声的激励信号,其输出信号连接到线性射频放大器的输入端,线性射频放大器用于放大函数信号发生器的输出信号,并驱动头戴式超声刺激器震荡产生超声波,准直器对准实验中的刺激靶点;在受试动物运动训练的同时采集其脑肌电信号,其脑肌电信号输出至神经信号处理系统处理,经过滤波降噪处理后,发送至分析与控制平台;

所述分析与控制平台,与机器人辅助训练平台和超声刺激平台相连接,用于分析受试动物的行为训练数据和脑肌电数据,计算出动物运动姿态调节数据和超声刺激调节数据,并控制超声刺激平台调整刺激信号和机器人辅助训练平台调整运动训练数据;分析与控制平台需要提供机器人辅助训练平台用以模拟受试动物运动姿态的数据,即需要机械臂辅助训练系统计算出受试动物的运动轨迹,需要机器人逆运动学进行分析;分析与控制平台将控制信号输出到机械臂时能够模拟受试动物正常的运动姿态轨迹,带动受试动物进行运动训练;

所述受试动物为瘫痪的动物;

所述动物运动姿态调节数据包括动物的运动速度、步幅和步长,所述超声刺激调节数据包括超声的波长、频率、速度、声压和声强。

2.根据权利要求1所述的一种用于小动物运动训练和超声刺激双重闭环康复系统,其特征在于:所述电机驱动系统包括安装在电机支架(18)上的驱动电机(17)、电机驱动器和传送装置;所述传送装置包括固定在主动胶辊(10)旋转轴上的第一皮带同步轮(9)、固定在驱动电机(17)动力输出轴上的第二皮带同步轮和同步皮带(7);第一皮带同步轮(9)和第二皮带同步轮的齿数比为1:1;分析与控制平台将控制信号输出至电机驱动器,电机驱动器驱动驱动电机(17),动力由同步皮带(7)传送至主动胶辊(10),从而带动跑步带转动。

3.根据权利要求1所述的用于小动物运动训练和超声刺激双重闭环康复系统,其特征在于:所述动物跑道系统包括两个平行设置的固定安装在跑步台固定板(12)上的跑道支撑架(13)、安装在两个跑道支撑架(13)之间的胶辊、置于跑道支撑架(13)内的内置滑动导轨装置、套装在胶辊上的跑步带和套装在胶辊的旋转轴上的旋转轴承(16);所述跑道支撑架(13)之间通过固定轴固定,所述跑道支撑架(13)上设置有放置旋转轴承(16)的通孔和放置内置滑动导轨装置的盲孔;所述胶辊包括主动胶辊(10)、第一从动胶辊(6)和第二从动胶辊(26);所述内置滑动导轨装置包括内置导轨、用于固定第二从动胶辊(26)的内置导轨滑动块(24)和调节螺杆(25),所述调节螺杆(25)用于将内置导轨滑动块(24)连接在跑道支撑架(13)上;当拧动调节螺杆(25)时,能够改变内置导轨滑动块(24)在内置导轨中的位置,由此能够调节跑步带的张紧程度。

4.根据权利要求1所述的一种用于小动物运动训练和超声刺激双重闭环康复系统,其特征在于:所述减重装置包括减重弹簧(2)、减重支撑架(1)、绳索(21)和动物身体支撑装置(20);所述减重支撑架(1)连接在支撑架连接杆(5)上,减重弹簧(2)固定于减重支撑架(1)上,绳索(21)一端连接在减重弹簧(2)上,另一端连接在动物身体支撑装置(20)上。

5.一种用于小动物运动训练和超声刺激双重闭环康复方法,应用上述1‑4任一项权利要求所述的用于小动物运动训练和超声刺激双重闭环康复系统进行,包括以下步骤:

S1、机器人辅助训练平台会实现模拟受试动物的运动姿态,主要为受试动物的正常步态轨迹,将受试动物放置机器人辅助训练平台进行运动训练,会实时采集受试动物的行为训练数据,被称为第一行为训练数据,第一行为训练数据会传入所述分析与控制平台进行受试动物的行为分析;

S2、机器人辅助训练平台辅助训练受试动物的同时,超声刺激平台的脑肌电同步采集系统采集受试动物的脑肌电信号,此时的脑肌电信号反映了受试动物的行为状态和神经元受损情况,脑肌电信号将传入神经信号处理系统,经过处理成第一脑肌电数据,第一脑肌电数据会传入所述分析与控制平台进行受试动物的行为分析;

S3、分析与控制平台接收到第一行为训练数据和第一脑肌电数据后,根据预期实验数据,分析第一行为训练数据和第一脑肌电数据,与实验预期数据进行对比;

S4、如果分析与控制平台分析对比处的数据与实验预期符合,则机器人辅助训练平台的训练数据不改变,超声刺激平台的超声刺激参数不改变;如果与实验预期不符合,分析与控制平台根据控制策略生成运动姿态调节数据和超声刺激调节数据;

S5、超声刺激平台根据超声刺激调节数据对受试动物进行超声刺激,用以改变受试动物的行为状态和受损神经元的受损情况;

S6、机器人辅助训练平台根据运动姿态调节数据对受试动物进行运动姿态调整,主要是步行轨迹的调整和步行速度,同时机器人辅助训练平台采集受试动物的行为训练数据,此时称为第二行为训练数据;

S7、受试动物经过调整后的超声刺激和运动姿态训练后,超声刺激平台的脑肌电同步采集系统采集受试动物的脑肌电信号,脑肌电信号将传入神经信号处理系统,经过处理成第二脑肌电数据;

S8、分析与控制平台接收到第二行为训练数据和第二脑肌电数据后,通过预设的分析策略进行分析,如果符合实验预期要求则保持此时的超声刺激数据和运动训练数据;如果不符合,则重复S4步骤,进行运动姿态和超声刺激的调整,以此达到用于小动物的运动训练和超声神经调控双重闭环康复。