本发明涉及医疗器械技术领域，更具体的是，本发明涉及一种防下肢静脉血栓活动仪及其控制方法。
背景技术：
深静脉血栓(dvt)是临床患者术后常见并发症之一，医务人员采用很多措施来预防dvt的发生。除了药物预防外，广泛推崇踝泵运动，部分医院采用踩球运动。但是临床工作中发现，踝泵运动的运动幅度、节律不易被患者掌握，频率是否达到无法知晓。踩球运动对空间、人力、物力要求较高，不能广泛使用。
中国实用新型专利201710412068.4公开一种预防下肢血栓活动仪，包括固定座、放置槽、第一电机、第一转轴、第一凸轮、避让孔、第二电机、第二转轴、第二凸轮、限位滑块、滑杆、调节座、气垫、充气球囊，该预防下肢血栓活动仪能够对患者脚部进行背曲锻炼，达到预防足下垂作用，还能够对患者下肢腓肠肌进行按摩，使其促进血液循环，降低压疮的发生，还对患者膝关节的垫高。
中国发明专利201811302257.7公开一种下肢康复锻炼器，包括在底座上设置有反复屈伸结构，使腿部膝盖处向上拱起，然后再落下，反复进行动作，使腿部进行屈伸动作，反复进行让腿部适应动作进行辅助训练，利用反复运动使病人的下肢进行动作适应，有效的帮助病人进行恢复。
上述对比文件均具有如下缺陷:
1、上述结构均只能以设定好力度的对患者进行被动活动，即患者只能在该结构的带动下被动运动，不能主动运动，并不能很好的对患者的下肢进行锻炼。
2、上述结构的训练力度不能改变，不能根据不同患者的腿部力量不同而做出对应调节，使得患者得不到针对性的有效训练。
技术实现要素：
本发明的一个目的是设计开发了一种防下肢静脉血栓活动仪，能够根据病人的耐受力自动调节行星轮的锁紧系数，提高下肢静脉活动效果。
本发明的另一个目的是设计开发了一种防下肢静脉血栓活动仪的控制方法，能够根据病人的耐受力确定活动仪的锁紧系数，并实时调节，保证病人有效的完成腿部运动，提高下肢静脉活动效果。
本发明还能根据锁紧系数控制锁紧片与太阳轮的距离，确保弹性橡胶垫片对太阳轮的锁紧，保证病人有效的完成腿部运动。
本发明提供的技术方案为：
一种防下肢静脉血栓活动仪，包括：
壳体，其为中控圆柱结构；以及
通槽，其为圆环形，且设置在所述壳体轴向一侧；
齿圈，其同轴设置在靠近所述通槽的所述壳体内部一侧，且周向与所述壳体内壁固定连接；
支撑轴，其同轴心可旋转支撑设置在所述壳体上；
太阳轮，其同心设置在所述齿圈内，并同轴固定套设在所述支撑轴上；
行星轮，其设置在所述太阳轮和所述齿圈之间，且与所述太阳轮和所述齿圈啮合，所述行星轮和所述太阳轮同时运动；
连接轴，其为z字型，且一端设置在所述壳体内，并同轴固定穿过所述行星轮，另一端穿出所述通槽，并可旋转设置有脚踏板；
锁紧片，其为圆环柱形，并设置在所述壳体内，且周向与所述壳体内壁可滑动连接，所述锁紧片空套在所述支撑轴上；
弹性橡胶垫片，其为圆环柱形，并同轴固定设置在靠近所述太阳轮的所述锁紧片一侧，所述橡胶垫片空套在所述支撑轴上；
动力机构，其设置在所述壳体内，且输出端与所述锁紧片固定连接，用于驱动所述锁紧片沿所述壳体轴向运动。
优选的是，还包括：
推板，其为圆环柱形，且设置在所述锁紧片和所述动力机构之间，所述推板空套在所述支撑轴上，所述动力机构的输出端与所述推板固定连接；
多个连接杆，其设置在所述推板和所述锁紧片之间，并沿所述锁紧片周向均匀设置，且轴向两端分别与所述锁紧片和所述推板固定连接。
优选的是，还包括：
多个滑槽，其周向均匀设置在所述壳体内壁上，并沿所述壳体轴向设置；
多个第一滑块，其周向均匀设置在所述锁紧片上，并与所述滑槽一一对应配合；
多个第二滑块，其周向均匀设置在所述推板上，并与所述滑槽一一对应配合。
优选的是，所述动力机构为多个气缸，且输出端活塞杆沿所述推板周向均匀设置。
优选的是，还包括：
一对固定座，其对称设置在所述壳体底部，用于固定所述壳体于床尾，所述固定座包括：
相互贴合的第一夹板和第二夹板；
其中，所述第一夹板轴向一端与所述壳体底部固定连接；
半圆形凹槽，其分别设置在所述第一夹板和第二夹板的贴合面的一侧；并且位置对应形成通孔，用于容纳夹紧床管；
多个螺栓孔，其分别设置在所述第一夹板和第二夹板轴向两端且位置对应；
多个螺栓，其一一对应穿过所述螺栓孔；
多个螺母，其与所述螺栓一一对应连接，用于夹紧所述第一夹板和所述第二夹板。
优选的是，还包括：
力传感器，其设置在脚踏板上，用于检测脚蹬力；
计时器，其设置在所述齿圈上，用于检测所述行星轮绕齿圈运动一周的时间；
控制器，其与所述力传感器、计时器和动力机构连接，用于接收所述力传感器和计时器的检测数据，并控制所述动力机构工作。
一种防下肢静脉血栓活动仪的控制方法，包括模糊控制器：
将脚蹬力ff、对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t输入模糊控制器，所述模糊控制器中脚蹬力ff和对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t分为7个等级；
模糊控制器输出锁紧系数sf，输出分为7个等级；
所述脚蹬力ff的模糊论域为[0,1]，其量化因子为500；所述对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t的模糊论域为[0,1]，定量化因子为20；输出锁紧系数sf的模糊论域为[0,1]，定量化因子为1；
输入和输出的模糊集为{nb，nm，ns，0，ps，pm，pb}。
优选的是，还包括pid控制器：
输入第i个检测过程的对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的理想时间
优选的是，
所述对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的理想时间
所述输出pid的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出pid的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊pid控制器的输入和输出的模糊集为{nb，nm，ns，0，ps，pm，pb}。
优选的是，根据锁紧系数sf控制锁紧片与太阳轮的距离满足：
其中，d为锁紧片与太阳轮的距离，d0为弹性橡胶垫片无弹性形变时的初始厚度，ξ为行星轮与太阳轮和齿圈的综合摩擦系数，e为自然对数的底数，k为弹性橡胶垫片的弹性系数，ff为脚蹬力，ff0为基准脚蹬力，t为对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间，t0为对应基准脚蹬力ff0下行星轮绕齿圈运动一周的基准时间。
本发明所述的有益效果：
(1)本发明设计开发的防下肢静脉血栓活动仪，能够根据病人的耐受力自动调节行星轮的锁紧系数，提高下肢静脉活动效果。
(2)本发明设计开发的防下肢静脉血栓活动仪的控制方法，能够根据病人的耐受力确定活动仪的锁紧系数，并根据锁紧系数实时控制锁紧片与太阳轮的距离，确保弹性橡胶垫片对太阳轮的锁紧，保证病人有效的完成腿部运动，提高下肢静脉活动效果。
附图说明
图1为本发明所述防下肢静脉血栓活动仪的结构示意图。
图2为本发明所述防下肢静脉血栓活动仪的结构示意图。
图3为本发明所述防下肢静脉血栓活动仪的结构示意图。
图4为本发明所述防下肢静脉血栓活动仪的剖视结构示意图。
图5为本发明所述防下肢静脉血栓活动仪的剖视结构示意图。
图6为本发明所述防下肢静脉血栓活动仪的剖视结构示意图。
图7为本发明所述防下肢静脉血栓活动仪的剖视结构示意图。
图8为本发明所述的模糊控制器和模糊pid控制器的示意图。
图9为本发明所述模糊控制器的输入脚蹬力ff的隶属度函数图。
图10为本发明所述模糊控制器的输入对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t的隶属度函数图。
图11为本发明所述模糊控制器的输出锁紧系数sf的隶属度函数图。
图12为本发明所述模糊pid控制器的输入偏差e的隶属度函数图。
图13为本发明所述模糊pid控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。
图14为本发明所述模糊pid控制器的输出比例系数kp的隶属度函数图。
图15为本发明所述模糊pid控制器的输出比例积分系数ki的隶属度函数图。
图16为本发明所述模糊pid控制器的输出微分系数kd的隶属度函数图。
附图标记说明
100.壳体；110.通槽；120.齿圈；130.支撑轴；140.太阳轮；150.行星轮；160.连接轴；170.脚踏板；171.支撑带；180.滑槽；200.锁紧片；210.弹性橡胶垫片；220.动力机构；230.推板；240.连接杆；250.第一滑块；260.第二滑块；191.第一夹板；192.第二夹板；193.半圆形凹槽；194.螺栓；195.螺母。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。
如图1-7所示，本发明提供一种防下肢静脉血栓活动仪，包括：壳体100，其为中控圆柱结构。在壳体100轴向一侧设置有通槽110，其为圆环形，并与中空圆柱结构连通。在靠近通槽110的壳体100内部一侧同轴设置有齿圈120，其周向与壳体100内壁固定连接。在壳体100内部同轴心设置有支撑轴130，且轴向两端通过轴承可旋转支撑设置在壳体100轴向两侧面上。在位于壳体100内部的齿圈120内同心设置有太阳轮140，并同轴固定套设在对应支撑轴130上。在太阳轮140和齿圈120之间啮合设置有行星轮150，当行星轮150绕齿圈120周向运动时，太阳轮140绕其自身轴向转动。连接轴160，其为z字型，且一端设置在壳体100内，并同轴固定穿过行星轮150，即连接轴160驱动行星轮150绕齿圈120周向运动，另一端穿出通槽110，并可旋转设置有脚踏板170，且脚踏板170上设置有支撑带171，同于固定支撑患者的脚面。患者脚踩在脚踏板170上，通过腿部力量驱动连轴160转动，进而带动行星轮150绕齿圈120周向运动，完成腿部活动训练。
在壳体100内设置有锁紧片200，其为圆环柱形，且周向与壳体100内壁可滑动连接，所述的锁紧片200同轴空套在支撑轴130上。在靠近太阳轮140的锁紧片200一侧同轴固定设置有弹性橡胶垫片210，具有一定弹性，可以伸缩和回弹，其为圆环柱形，并同轴空套在支撑轴130上。在壳体100内设置有动力机构220，其输出端与锁紧片200固定连接，用于驱动锁紧片200沿壳体100轴向运动。
作为本发明的另一实施例，在锁紧片200和动力机构220之间设置推板230，其为圆环柱形，且同轴空套在支撑轴130上，所述的动力机构220的输出端与推板230固定连接。在推板230和锁紧片200之间轴向均匀分布有多个连接杆240，其轴向两端分别与锁紧片200和推板230固定连接。所述的动力机构220为多个气缸，且输出端活塞杆沿推板230周向均匀设置，优选所述气缸为4个。
通过动力机构220驱动锁紧片200靠近太阳轮140运动，进而压缩弹性橡胶垫片210，在弹性橡胶垫片210的回弹作用下压紧太阳轮140，使得行星轮150绕齿圈120运动，并带动太阳轮140自转时的阻力更大，需要更大的外部力量驱动连接轴160运动，实现对太阳轮140的锁紧，通过调节锁紧片200与太阳轮的距离，就能够调节太阳轮140的锁紧程度，进而对患者的腿部力量训练进行调节。
作为本发明的另一实施例，在壳体100内壁上周向均匀设置有多个滑槽180，其沿壳体100轴向设置。在第一锁紧片200周向均匀设置有与滑槽180对应的第一滑块250，其与滑槽180一一对应配合，使得锁紧片200能够沿壳体100轴向滑动。在推板230周向上同样设置有与滑槽180对应的第二滑块260，其与滑槽180一一对应配合，使得推板230能够沿壳体100轴向滑动。
在壳体100底部对称设置有一对固定座190，用于将壳体固定于床尾，一般在床尾径向两侧对称固定有壳体100，以便训练病人的双腿力量。
所述的固定座190包括相互贴合的第一夹板191和第二夹板192；所述的第一夹板191轴向一端与壳体100底部固定连接。在第一夹板191和第二夹板192的贴合面的一侧分别设置有半圆形凹槽193，并且位置对应形成通孔，用于容纳夹紧床管。在第一夹板191和第二夹板192轴向两端且位置对应处设置有螺栓孔(图中未示出)，贯穿螺栓孔设置有螺栓194，并对应螺纹连接有螺母195，通过螺母195的旋松或者旋紧，实现第一夹板191和第二夹板192松开或者夹紧。
本实施例中，还包括力传感器，其设置在脚踏板170上，用于检测脚蹬力；计时器，其设置在齿圈120上，用于检测行星轮150绕齿圈120运动一周的时间；控制器，其与力传感器、计时器和动力机构连接，用于接收力传感器和计时器的检测数据，并控制动力机构工作。
本发明设计开发的防下肢静脉血栓活动仪，能够根据病人的耐受力自动调节行星轮的锁紧系数，提高下肢静脉活动效果。
本发明还提供一种防下肢静脉血栓活动仪的控制方法，如图8所示，控制器包括模糊控制器和模糊pid控制器，包括以下步骤：
步骤1、将脚蹬力ff、对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t、锁紧系数sf进行模糊处理；在无控制时，脚蹬力ff的模糊论域为[0,1]，其量化因子为500；对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t的模糊论域为[0,1]，定量化因子为20；输出锁紧系数sf的模糊论域为[0,1]，定量化因子为1。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中脚蹬力ff、对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t分为7个等级；输出锁紧系数sf，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{nb，nm，ns，0，ps，pm，pb}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函，详见图9、10和11。其中所述模糊控制器的模糊控制规则为：
(1)脚蹬力ff一定，对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t增大，需要减小锁紧系数sf；
(2)对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t一定，脚蹬力ff增大，需要增大锁紧系数sf；
模糊控制的具体控制规则详见表一。
表一锁紧系数sf的模糊控制表
模糊控制器的输入脚蹬力ff、对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出锁紧系数sf，锁紧系数sf利用重心法解模糊化。
步骤2、模糊pid控制器
将第i个检测过程的对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的理想时间
1、当偏差|e|较大时，增大kp的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的kd，通常取ki＝0；
2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小kp的取值，使ki较小，选择适当大小的kd；
3、当偏差|e|较小时，增大kp，ki的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的kd；当|ec|较小时，取较大的kd；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。
表二pid的比例系数kp的模糊控制表
表三pid的比例积分系数ki的模糊控制表
表四pid的微分系数kd的模糊控制表
输入第i个检测过程的对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的理想时间
经实验反复确定，模糊pid控制器对锁紧系数sf进行精确控制，锁紧系数sf为模糊控制器的输出锁紧系数和pid控制器的锁紧系数误差补偿值的加和，以便精确控制其锁紧系数sf，使锁紧系数sf的偏差小于0.1％。
步骤3、根据锁紧系数sf控制锁紧片与太阳轮的距离满足：
其中，d为锁紧片与太阳轮的距离，d0为弹性橡胶垫片无弹性形变时的初始厚度，ξ为行星轮与太阳轮和齿圈的综合摩擦系数，e为自然对数的底数，k为弹性橡胶垫片的弹性系数，ff为脚蹬力，ff0为基准脚蹬力，t为对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间，t0为对应基准脚蹬力ff0下行星轮绕齿圈运动一周的基准时间。
本发明设计开发的防下肢静脉血栓活动仪的控制方法，能够根据病人的耐受力确定活动仪的锁紧系数，并根据锁紧系数实时控制锁紧片与太阳轮的距离，确保弹性橡胶垫片对太阳轮的锁紧，保证病人有效的完成腿部运动，提高下肢静脉活动效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
1.一种防下肢静脉血栓活动仪，其特征在于，包括：
壳体，其为中控圆柱结构；以及
通槽，其为圆环形，且设置在所述壳体轴向一侧；
齿圈，其同轴设置在靠近所述通槽的所述壳体内部一侧，且周向与所述壳体内壁固定连接；
支撑轴，其同轴心可旋转支撑设置在所述壳体上；
太阳轮，其同心设置在所述齿圈内，并同轴固定套设在所述支撑轴上；
行星轮，其设置在所述太阳轮和所述齿圈之间，且与所述太阳轮和所述齿圈啮合，所述行星轮和所述太阳轮同时运动；
连接轴，其为z字型，且一端设置在所述壳体内，并同轴固定穿过所述行星轮，另一端穿出所述通槽，并可旋转设置有脚踏板；
锁紧片，其为圆环柱形，并设置在所述壳体内，且周向与所述壳体内壁可滑动连接，所述锁紧片空套在所述支撑轴上；
弹性橡胶垫片，其为圆环柱形，并同轴固定设置在靠近所述太阳轮的所述锁紧片一侧，所述橡胶垫片空套在所述支撑轴上；
动力机构，其设置在所述壳体内，且输出端与所述锁紧片固定连接，用于驱动所述锁紧片沿所述壳体轴向运动。
2.如权利要求1所述的防下肢静脉血栓活动仪，其特征在于，还包括：
推板，其为圆环柱形，且设置在所述锁紧片和所述动力机构之间，所述推板空套在所述支撑轴上，所述动力机构的输出端与所述推板固定连接；
多个连接杆，其设置在所述推板和所述锁紧片之间，并沿所述锁紧片周向均匀设置，且轴向两端分别与所述锁紧片和所述推板固定连接。
3.如权利要求2所述的防下肢静脉血栓活动仪，其特征在于，还包括：
多个滑槽，其周向均匀设置在所述壳体内壁上，并沿所述壳体轴向设置；
多个第一滑块，其周向均匀设置在所述锁紧片上，并与所述滑槽一一对应配合；
多个第二滑块，其周向均匀设置在所述推板上，并与所述滑槽一一对应配合。
4.如权利要求1、2或3所述的防下肢静脉血栓活动仪，其特征在于，所述动力机构为多个气缸，且输出端活塞杆沿所述推板周向均匀设置。
5.如权利要求4所述的防下肢静脉血栓活动仪，其特征在于，还包括：
一对固定座，其对称设置在所述壳体底部，用于固定所述壳体于床尾，所述固定座包括：
相互贴合的第一夹板和第二夹板；
其中，所述第一夹板轴向一端与所述壳体底部固定连接；
半圆形凹槽，其分别设置在所述第一夹板和第二夹板的贴合面的一侧；并且位置对应形成通孔，用于容纳夹紧床管；
多个螺栓孔，其分别设置在所述第一夹板和第二夹板轴向两端且位置对应；
多个螺栓，其一一对应穿过所述螺栓孔；
多个螺母，其与所述螺栓一一对应连接，用于夹紧所述第一夹板和所述第二夹板。
6.如权利要求5所述的防下肢静脉血栓活动仪，其特征在于，还包括：
力传感器，其设置在脚踏板上，用于检测脚蹬力；
计时器，其设置在所述齿圈上，用于检测所述行星轮绕齿圈运动一周的时间；
控制器，其与所述力传感器、计时器和动力机构连接，用于接收所述力传感器和计时器的检测数据，并控制所述动力机构工作。
7.一种防下肢静脉血栓活动仪的控制方法，其特征在于，包括模糊控制器：
将脚蹬力ff、对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t输入模糊控制器，所述模糊控制器中脚蹬力ff和对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t分为7个等级；
模糊控制器输出锁紧系数sf，输出分为7个等级；
所述脚蹬力ff的模糊论域为[0,1]，其量化因子为500；所述对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间t的模糊论域为[0,1]，定量化因子为20；输出锁紧系数sf的模糊论域为[0,1]，定量化因子为1；
输入和输出的模糊集为{nb，nm，ns，0，ps，pm，pb}。
8.如权利要求7所述的防下肢静脉血栓活动仪的控制方法，其特征在于，还包括pid控制器：
输入第i个检测过程的对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的理想时间
9.如权利要求8所述的防下肢静脉血栓活动仪的控制方法，其特征在于，
所述对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的理想时间
所述输出pid的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出pid的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊pid控制器的输入和输出的模糊集为{nb，nm，ns，0，ps，pm，pb}。
10.如权利要求7、8或9所述的防下肢静脉血栓活动仪的控制方法，其特征在于，根据锁紧系数sf控制锁紧片与太阳轮的距离满足：
其中，d为锁紧片与太阳轮的距离，d0为弹性橡胶垫片无弹性形变时的初始厚度，ξ为行星轮与太阳轮和齿圈的综合摩擦系数，e为自然对数的底数，k为弹性橡胶垫片的弹性系数，ff为脚蹬力，ff0为基准脚蹬力，t为对应脚蹬力ff下行星轮绕齿圈运动一周的时间，t0为对应基准脚蹬力ff0下行星轮绕齿圈运动一周的基准时间。
技术总结