CN109771893A - 平衡训练自行车装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗器械领域，具体公开了一种平衡训练自行车装置及其方法。本装置在机械结构上主要由基座、前轮底座、后轮底座、限位摆动结构、改装自行车组成，组装基座、前轮底座和后轮底座，以模拟地面骑行环境，限位摆动结构用于限制自行车倾斜角。在本装置中，使用电机驱动前轮，训练对象只需控制前叉或调节自身重心位置即可控制自行车的平衡；利用摆杆连接自行车并加以限位缓冲的方式，限制自行车倾斜角并提供一定的舒适性。本装置能够用于有身体平衡功能障碍的训练对象的康复训练，增强训练对象进行康复训练的积极性，同时也能用于一些神经系统疾病的预防。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种平衡训练自行车装置。
背景技术
平衡功能是人体神经、运动系统的一项重要功能。许多神经系统疾病均表现出不同程度的平衡功能障碍，一些外伤也可能导致平衡功能障碍，必须依靠一些训练器械来进行有针对性的训练和康复治疗。对于平衡功能障碍，医疗康复中心常采取复健的模式，让患者站立于一可转动的平台上锻炼患者的平衡能力。但是这样的康复训练方式非常单一枯燥，不能激发患者对于康复训练的积极性，最终会影响疗效。
发明内容
本发明的目的是提供一种平衡能力康复训练装置，搭建一个平衡训练自行车装置，具体技术方案如下：
一种平衡训练自行车装置，其包括基座、前轮底座、后轮底座、限位摆动结构和改装自行车；
所述的基座包括底部框架、三个支撑座和光轴，三个支撑座同轴安装于底部框架上，光轴依次穿过三个支撑座，且光轴与三个支撑座分别构成轴向滑动被限制的转动副；
所述的前轮底座包括两个U型螺栓、两个U型座、前支撑板、直线导轨、滑块、连接板、转盘、底板、两块竖板和两个U型滚筒；两个U型座以凹面朝下的形式安装于前支撑板下表面，每个U型螺栓分别穿过一个U型座后，再穿过前支撑板进行固定；两个U型螺栓和两个U型座构成两个同轴的圆环，所述的前轮底座通过两个圆环紧套于光轴上，依靠摩擦力与光轴同步转动；在前支撑板上表面安装有构成滑动副的直线导轨以及滑块，在滑块上方固定有圆形的连接板；所述的转盘由外圈和内圈组成，转盘的内圈与所述连接板固定，外圈套于内圈的外部且能够相对内圈转动；转盘的外圈上表面与底板固定连接；两块竖板对称放置并固定于底板上，两块竖板之间架设有两条平行的阶梯轴，两个U型滚筒分别套于阶梯轴上构成转动副；
所述的后轮底座包括两个U型螺栓、两个U型座、后支撑板、滚筒架和两个滚筒；滚筒架整体安装固定在后支撑板上，后支撑板的下表面以与前轮底座相同的连接方式，通过两个U型螺栓和两个U型座构成的圆环紧套于光轴上同步转动；两个滚筒各自通过轴平行安装于滚筒架上，且滚筒的轴线与光轴的轴线垂直；
所述的限位摆动结构包括铰链支座、两根竖直型材、方杆、两个开槽圆筒和两根弹簧；所述铰链支座固定在底部框架上，方杆一端通过铰链孔安装在铰链支座上；铰链支座两边对称各安装1根竖直型材；两根竖直型材上的同一高度位置各自安装有一个开槽圆筒，两根弹簧分别置于两个开槽圆筒的槽孔中，且两根弹簧的活动端分别位于方杆的两侧，对方杆摆动过程进行弹性限位；
所述的改装自行车包括自行车、两个轮毂电机、过渡板、固定管和后座；自行车的前后轮分别放置于前轮底座的两个U型滚筒和后轮底座的两个滚筒上；在自行车的前后轮分别安装用于驱动车轮的轮毂电机；在自行车的后轮轴位置设置一块过渡板，过渡板为水平边与竖直边组成的L形形状，水平边与后轮轴连接，竖直边与固定管连接；固定管的底部与后轮底座固定；后座与自行车刚性连接固定，后座的末端开设有与方杆相匹配的方孔，后座通过方孔套于方杆上将自行车的倾斜同步传递给方杆。
作为优选，所述的底部框架由型材搭成，包括两根平行的长型材和四根平行的短型材，短型材两端分别固定于两根长型材上，在其中三根短型材的中间位置，分别安装有支撑座。
作为优选，所述圆环与光轴构成过盈配合。
作为优选，所述光轴上固定有两个固定环，两个固定环分别紧贴不同的支撑座侧面，且两个紧贴有固定环的支撑座侧面相对，形成限制光轴轴向滑动的限位结构。
作为优选，所述两块竖板对称放置于底板上，通过角码固定。
作为优选，每个所述滚筒的轴上套有两个螺母，轴在滚筒两侧各自攻有一段螺纹，两个螺母通过螺纹配合旋于轴上，对滚筒形成轴向定位。
作为优选，每个所述U型滚筒的阶梯轴，U型滚筒套于阶梯轴中间位置，阶梯轴两端套于两块竖板的轴孔上；阶梯轴的中间轴径大于两端轴径，竖板上对应的轴孔径小于中间轴径但大于两端轴径，对U型滚筒形成轴向定位。
作为优选，所述铰链支座的铰链轴心与光轴同轴设置。
作为优选，所述后座由镂空式平板与三个末端为环状的连接件焊接得到，三个连接件的一端固定于镂空式平板上，另一端分别固定到自行车的车座杆和两条车后叉杆件上，形成具有三个支点的三角支撑。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述平衡训练自行车装置的动态平衡方法，其步骤如下：
当训练对象上车并以骑行的动作坐在自行车上，上电启动轮毂电机转动对前后轮进行驱动，前后轮带动前轮底座的两个U型滚筒和后轮底座的两个滚筒转动，模拟自行车的骑行状态；当训练对象转动自行车的前叉导致前后轮距发生改变时，则U型滚筒会在前轮的推动下同步带动直线导轨上的滑块移动以适应前后轮距；当自行车发生倾斜时，前轮底座和后轮底座整体绕着光轴做适应性转动，同时将该倾斜通过后座传递到方杆，并带动方杆绕着铰接轴转动；当训练对象自身无法通过转动前叉或调节自身重心位置来使自行车恢复平衡时，方杆将碰到两边的弹簧并对其进行压缩，被压缩的弹簧通过后座对自行车提供部分恢复平衡所需的力，辅助训练对象重新保持动态平衡。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的前轮底座具有转动和前后移动自由度，更加真实地还原自行车骑行场景；
(2)本发明将自行车与后轮底座固定，从而将自行车的倾斜传递到轴的旋转，抑制了自行车在骑行过程中的轮胎漂移现象；
(3)本发明通过改装自行车的后座将自行车的倾斜传递到方杆的转动，选择合适的弹簧长度和刚度，可实现一定角度内自行车的无干扰倾斜，又能在达到一定角度时起限位缓冲保护作用；
(4)本发明利用轮毂电机驱动前轮及后轮，减轻训练对象的负担，仅需控制把手旋转角度或调节自身重心，即可让自行车平衡。
附图说明
图1为平衡训练自行车结构图；
图2为平衡训练自行车的基座；
图3为平衡训练自行车的前轮底座；
图4为平衡训练自行车的后轮底座；
图5为平衡训练自行车的限位摆动结构；
图6为平衡训练自行车的改装自行车；
图中，长型材1、短型材2、支撑座3、光轴4、固定环5、U型螺栓6、U型座7、前支撑板8、直线导轨9、滑块10、连接板11、转盘12、底板13、竖板14、角码15、U型滚筒16、后支撑板17、滚筒架18、滚筒19、铰链支座20、竖直型材21、方杆22、开槽圆筒23、弹簧24、自行车25、轮毂电机26、过渡板27、固定管28、后座29。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1展示了本平衡训练自行车装置总体的结构，它主要由基座、前轮底座、后轮底座、限位摆动结构以及改装自行车五部分组成。
基座用于固定前轮底座、后轮底座和限位摆动结构；前轮底座用于放置改装自行车前轮，模拟实际骑行中前轮的运动情况；后轮底座用于放置改装自行车后轮，模拟实际骑行中后轮的运动情况，同时用于连接固定改装自行车；限位摆动结构用于限制改装自行车的倾斜角，并起缓冲作用；改装自行车用于骑行，进行康复训练。训练对象骑上自行车，由控制器启动轮毂电机并以一定速度转动，带动车轮转动。训练对象可通过操纵前叉或调节自身重心的方式平衡自行车。若自行车倾斜角过大，则会带动方杆触碰弹簧，从而限位缓冲，并可将车体回弹一定角度，训练对象可继续进行平衡过程。
下面将对这五部分的机械结构进行详细说明。
图2为本平衡训练自行车基座部分的详细结构。基座包括底部框架、三个支撑座3和光轴4，两根长型材1和四根短型材2利用型材专用的直角件连接成方形的底部框架。两根长型材1并行排列，四根短型材2平行焊接于两根长型材1之间。其中三根短型材2用于安装支撑座3，剩余的一根短型材2用于安装限位摆动结构。支撑座3以螺栓连接的方式固定在短型材2的中部。光轴4依次穿过三个支撑座3，且光轴4与三个支撑座3上的圆孔，其与每个支撑座3分别构成轴向滑动被限制的转动副。其中轴向限位是通过以下方式实现的：在光轴4上紧紧固定有两个固定环5，两个固定环5分别紧贴不同的支撑座3侧面，且两个紧贴有固定环5的支撑座侧面相对，形成限制光轴4轴向滑动的限位结构，它既能防止光轴4轴向滑移，同时光轴4又能够自由转动。
图3为本平衡训练自行车前轮底座部分的详细结构。前轮底座包括两个U型螺栓6、两个U型座7、前支撑板8、直线导轨9、滑块10、连接板11、转盘12、底板13、两块竖板14和两个U型滚筒16。两个U型座7以凹面朝下的形式安装于前支撑板8下表面，每个U型螺栓6分别穿过一个U型座7后，再穿过前支撑板8用螺母拧紧固定。两个U型螺栓6和两个U型座7构成两个同轴的圆环，前轮底座通过两个圆环紧套于光轴4上，且圆环与光轴4形成过盈配合，能靠摩擦力固定到光轴4上，与光轴4同步转动。在前支撑板8上表面用螺栓居中固定一个直线导轨9，直线导轨9上安装有滑块10，两者构成滑动副，滑块10可沿直线导轨9前后滑动，且滑动方向与光轴4轴线方向相同。在滑块10上方制有四个螺纹孔，通过螺钉固定有圆形的连接板11。连接板11上除用于连接滑块10的四个通孔外，还有四个用于连接转盘12内圈的通孔。转盘12由外圈和内圈组成，转盘12的内圈与连接板11通过螺栓固定，且两者同轴转动，而外圈套于内圈的外部且能够相对内圈转动。转盘12的外圈上表面与底板13用螺栓固定连接。两块竖板14对称安装在底板上，利用角码15通过螺栓固定。每块竖板14上除用于固定用的通孔外，各还有两个轴孔用于放置U型滚筒16的轴。两块竖板14之间架设有两条平行的阶梯轴，两个U型滚筒16分别套于阶梯轴上构成转动副。每个U型滚筒16转动轴均为阶梯轴，U型滚筒16套于阶梯轴中间位置，阶梯轴两端套于两块竖板14的轴孔上。阶梯轴的中间轴径大于两端轴径，竖板14上对应的轴孔径小于中间轴径但大于两端轴径，轴径突变的位置刚好贴近两块竖板14内表面，对U型滚筒16形成轴向定位。由于转盘12的外圈可相对内圈自由转动，滑块10可在直线导轨9上滑动，所以前轮底座具有前后移动和转动两个自由度，能够配合自行车进行相应的运动。
图4为本平衡训练自行车后轮底座部分的详细结构。后轮底座包括两个U型螺栓6、两个U型座7、后支撑板17、滚筒架18和两个滚筒19。滚筒架18整体安装固定在后支撑板17上，后支撑板17的下表面以与前轮底座相同的连接方式。两个U型座7以凹面朝下的形式安装于后支撑板17下表面，每个U型螺栓6分别穿过一个U型座7后，再穿过前支撑板8用螺母拧紧固定。两个U型螺栓6和两个U型座7构成两个同轴的圆环，后轮底座通过两个圆环紧套于光轴4上，且圆环与光轴4形成过盈配合，能靠摩擦力固定到光轴4上，与光轴4同步转动。滚筒架18为一个长方体框架，由十根矩形钢和两根槽钢通过螺栓连接方式拼接而成。两个滚筒19置于两根槽钢之间，两个滚筒19各自通过轴平行安装于滚筒架18上，且滚筒19的轴线与光轴4的轴线垂直。同样的，两个滚筒19也需要进行轴向定位，其具体做法为：在每个滚筒19的轴上套有两个螺母，轴在滚筒19两侧各自攻有一段螺纹，两个螺母通过螺纹配合旋于轴上且分别靠近滚筒19的两个侧面，对滚筒19形成轴向定位，防止出现大幅度轴向滑动。
图5为本平衡训练自行车限位摆动结构部分的详细结构。限位摆动结构包括铰链支座20、两根竖直型材21、方杆22、两个开槽圆筒23和两根弹簧24。铰链支座20固定在基座中底部框架的短型材2上，铰链支座20上的铰链与光轴4同轴线。方杆22一端设有铰链孔，用于安装到铰链支座20上。铰链支座20两边对称各通过型材专用的直角件安装1根竖直型材21。两个开槽圆筒23的底部各有一个通孔，用螺栓将其分别固定到两根竖直型材21上的同一高度位置。两根弹簧24外径略小于开槽圆筒内径，分别置于两个开槽圆筒23的槽孔中，且一端支顶于槽底，另一端作为活动端。两根弹簧24的活动端分别位于方杆22的两侧，对方杆22摆动过程进行弹性限位。弹簧24的活动端可以贴近方杆22，也可以保持适当的距离，当方杆22发生摆动，并达到一定倾斜角度时，会碰到两边的弹簧24。弹簧24能够起到限位缓冲的作用，具体限位幅度由弹簧24的弹力和与方杆之间的距离调整。
图6为本平衡训练自行车改装自行车部分的详细结构。改装自行车包括自行车25、两个轮毂电机26、过渡板27、固定管28和后座29；自行车25的前后轮分别放置于前轮底座的两个U型滚筒16和后轮底座的两个滚筒19上。在自行车25的前后轮分别安装用于驱动车轮的轮毂电机26，以模拟实际骑行中车轮的转动，同时自行车25的平衡也需要车轮转动才能实现。自行车25后轮轴的伸出端为一段螺纹，用螺母在这个位置固定一块L形过渡板27。过渡板27为水平边与竖直边组成的L形形状，水平边与后轮轴连接，过渡板27的竖直边上有两个通孔，分别与固定管28上的其中两个通孔对应，两者通过螺栓连接固定。固定管28的另一端也有一个通孔，用于与后轮底座的滚筒架18中的槽钢固定，从而可抑制自行车25后轮转动时在滚筒19上的左右漂移现象，并且当自行车出现倾斜时可以将自行车25的倾斜转化为光轴4的转动，进而带动前轮底座和后轮底座适应性转动。后座29由镂空式平板与三个末端为环状的连接件焊接得到，三个连接件的一端固定于镂空式平板上，另一端分别固定到自行车25的车座杆和两条车后叉杆件上，形成具有三个支点的刚性三角支撑。后座29的末端开设有与方杆22相匹配的方孔，后座29通过方孔套于方杆22上，两者以过渡配合或者过盈配合方式嵌套，将自行车25的倾斜同步传递给方杆22。
利用上述平衡训练自行车装置进行康复训练时保持自行车动态平衡的方法，步骤如下：
当训练对象上车并以骑行的动作坐在自行车25上，手扶把手，上电启动轮毂电机26转动对前后轮进行驱动，前后轮带动前轮底座的两个U型滚筒16和后轮底座的两个滚筒19转动，模拟自行车的骑行状态。当训练对象转动自行车25的前叉导致前后轮距发生改变时，则U型滚筒16会在前轮的推动下同步带动直线导轨9上的滑块10移动以适应前后轮距，同时U型滚筒16也可以随转盘12的外圈转动而转动。当自行车25整体发生倾斜时，由于前后轮依然需要与滚筒配合转动，因此需要使前轮底座和后轮底座整体绕着光轴4做适应性转动，保证前后轮与下方的滚筒依然能够配合转动，其中前轮底座和后轮底座是在固定管28的带动下，随着光轴4的转动而转动的。同时该装置还会将该倾斜通过后座29传递到方杆22，并带动方杆22绕着铰接轴转动。一般情况下，训练对象可以通过转动前叉或调节自身重心位置来使自行车25恢复平衡。但若自行车25倾斜角过大，训练对象自身无法通过转动前叉或调节自身重心位置来使自行车25恢复平衡时，方杆22将碰到两边的弹簧24并对其进行压缩，倾斜过程受到缓冲作用，训练对象也不会因为倾斜角过大而摔倒。被压缩的弹簧24通过后座29对自行车25提供一部分恢复平衡所需的力，加上训练对象自身的调节，实现辅助训练对象重新保持动态平衡的目的。
Claims (10)
1.一种平衡训练自行车装置，其特征在于：包括基座、前轮底座、后轮底座、限位摆动结构和改装自行车；
所述的基座包括底部框架、三个支撑座(3)和光轴(4)，三个支撑座(3)同轴安装于底部框架上，光轴(4)依次穿过三个支撑座(3)，且光轴(4)与三个支撑座(3)分别构成轴向滑动被限制的转动副；
所述的前轮底座包括两个U型螺栓(6)、两个U型座(7)、前支撑板(8)、直线导轨(9)、滑块(10)、连接板(11)、转盘(12)、底板(13)、两块竖板(14)和两个U型滚筒(16)；两个U型座(7)以凹面朝下的形式安装于前支撑板(8)下表面，每个U型螺栓(6)分别穿过一个U型座(7)后，再穿过前支撑板(8)进行固定；两个U型螺栓(6)和两个U型座(7)构成两个同轴的圆环，所述的前轮底座通过两个圆环紧套于光轴(4)上，依靠摩擦力与光轴(4)同步转动；在前支撑板(8)上表面安装有构成滑动副的直线导轨(9)以及滑块(10)，在滑块(10)上方固定有圆形的连接板(11)；所述的转盘(12)由外圈和内圈组成，转盘(12)的内圈与所述连接板(11)固定，外圈套于内圈的外部且能够相对内圈转动；转盘(12)的外圈上表面与底板(13)固定连接；两块竖板(14)对称放置并固定于底板(13)上，两块竖板(14)之间架设有两条平行的阶梯轴，两个U型滚筒(16)分别套于阶梯轴上构成转动副；
所述的后轮底座包括两个U型螺栓(6)、两个U型座(7)、后支撑板(17)、滚筒架(18)和两个滚筒(19)；滚筒架(18)整体安装固定在后支撑板(17)上，后支撑板(17)的下表面以与前轮底座相同的连接方式，通过两个U型螺栓(6)和两个U型座(7)构成的圆环紧套于光轴(4)上同步转动；两个滚筒(19)各自通过轴平行安装于滚筒架(18)上，且滚筒(19)的轴线与光轴(4)的轴线垂直；
所述的限位摆动结构包括铰链支座(20)、两根竖直型材(21)、方杆(22)、两个开槽圆筒(23)和两根弹簧(24)；所述铰链支座(20)固定在底部框架上，方杆(22)一端通过铰链孔安装在铰链支座(20)上；铰链支座(20)两边对称各安装1根竖直型材(21)；两根竖直型材(21)上的同一高度位置各自安装有一个开槽圆筒(23)，两根弹簧(24)分别置于两个开槽圆筒(23)的槽孔中，且两根弹簧(24)的活动端分别位于方杆(22)的两侧，对方杆(22)摆动过程进行弹性限位；
所述的改装自行车包括自行车(25)、两个轮毂电机(26)、过渡板(27)、固定管(28)和后座(29)；自行车(25)的前后轮分别放置于前轮底座的两个U型滚筒(16)和后轮底座的两个滚筒(19)上；在自行车(25)的前后轮分别安装用于驱动车轮的轮毂电机(26)；在自行车(25)的后轮轴位置设置一块过渡板(27)，过渡板(27)为水平边与竖直边组成的L形形状，水平边与后轮轴连接，竖直边与固定管(28)连接；固定管(28)的底部与后轮底座固定；后座(29)与自行车(25)刚性连接固定，后座(29)的末端开设有与方杆(22)相匹配的方孔，后座(29)通过方孔套于方杆(22)上将自行车(25)的倾斜同步传递给方杆(22)。
2.如权利要求1所述的平衡训练自行车装置，其特征在于：所述的底部框架由型材搭成，包括两根平行的长型材(1)和四根平行的短型材(2)，短型材(2)两端分别固定于两根长型材(1)上，在其中三根短型材(2)的中间位置，分别安装有支撑座(3)。
3.如权利要求1所述的平衡训练自行车装置，其特征在于：所述圆环与光轴(4)构成过盈配合。
4.如权利要求1所述的平衡训练自行车装置，其特征在于：所述光轴(4)上固定有两个固定环(5)，两个固定环(5)分别紧贴不同的支撑座(3)侧面，且两个紧贴有固定环(5)的支撑座侧面相对，形成限制光轴(4)轴向滑动的限位结构。
5.如权利要求1所述的平衡训练自行车装置，其特征在于：所述两块竖板(14)对称放置于底板(13)上，通过角码(15)固定。
6.如权利要求1所述的平衡训练自行车装置，其特征在于：每个所述滚筒(19)的轴上套有两个螺母，轴在滚筒(19)两侧各自攻有一段螺纹，两个螺母通过螺纹配合旋于轴上，对滚筒(19)形成轴向定位。
7.如权利要求1所述的平衡训练自行车装置，其特征在于：每个所述U型滚筒(16)的阶梯轴，U型滚筒(16)套于阶梯轴中间位置，阶梯轴两端套于两块竖板(14)的轴孔上；阶梯轴的中间轴径大于两端轴径，竖板(14)上对应的轴孔径小于中间轴径但大于两端轴径，对U型滚筒(16)形成轴向定位。
8.如权利要求1所述的平衡训练自行车装置，其特征在于：所述铰链支座(20)的铰链轴心与光轴(4)同轴设置。
9.如权利要求1所述的平衡训练自行车装置，其特征在于：所述后座(29)由镂空式平板与三个末端为环状的连接件焊接得到，三个连接件的一端固定于镂空式平板上，另一端分别固定到自行车(25)的车座杆和两条车后叉杆件上，形成具有三个支点的三角支撑。
10.一种利用如权利要求1～9任一所述平衡训练自行车装置的动态平衡方法，其特征在于，步骤如下：
当训练对象上车并以骑行的动作坐在自行车(25)上，上电启动轮毂电机(26)转动对前后轮进行驱动，前后轮带动前轮底座的两个U型滚筒(16)和后轮底座的两个滚筒(19)转动，模拟自行车的骑行状态；当训练对象转动自行车(25)的前叉导致前后轮距发生改变时，则U型滚筒(16)会在前轮的推动下同步带动直线导轨(9)上的滑块(10)移动以适应前后轮距；当自行车(25)发生倾斜时，前轮底座和后轮底座整体绕着光轴(4)做适应性转动，同时将该倾斜通过后座(29)传递到方杆(22)，并带动方杆(22)绕着铰接轴转动；当训练对象自身无法通过转动前叉或调节自身重心位置来使自行车(25)恢复平衡时，方杆(22)将碰到两边的弹簧(24)并对其进行压缩，被压缩的弹簧(24)通过后座(29)对自行车(25)提供部分恢复平衡所需的力，辅助训练对象重新保持动态平衡。
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