CN104983497A - 一种Stewart型脊椎侧弯康复医疗机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对特发性脊椎侧弯进行动态矫形的智能化Stewart型康复医疗机器人。其主要结构由上、中、下三层矫正圆环组成，呈与患者躯干匹配整体曲线形状，相邻两层矫正圆环间利用Stewart并联机构进行连接，每个并联机构配有6套驱动装置，提供6个自由度，实现患者的三维动态力矫正。此智能化装置穿戴方便，与患者躯干曲线良好匹配，矫正力动态可调，能够阻止脊椎侧弯的进一步恶化，实现青少年特发性脊椎侧弯疾病、脊椎运动损伤、脊椎术后等的康复和辅助治疗，并可用于实时监测佩戴者脊椎健康状态。

Description

一种Stewart型脊椎侧弯康复医疗机器人

技术领域

本发明涉及康复医疗机器人领域，具体涉及一种用于特发性脊椎侧弯矫形的康复医疗机器人。

背景技术

脊椎侧弯是指脊椎发生横向异常弯曲。现有研究表明，脊椎侧弯不仅导致患者外观畸形，还严重危及人体的消化***、内分泌***、肌肉***、骨骼组织和神经***。脊椎病态弯曲挤压骨骼、肌肉、神经和内脏等，使人产生疼痛，严重时甚至累及脊髓，导致人体机能丧失，出现完全性或不完全性瘫痪。特别是对于青少年骨骼发育时期，如未接受治疗，病情有严重恶化趋势。

脊椎侧弯治疗主要有手术疗法和非手术疗法两种。其中手术疗法风险较大，对于特发性脊椎侧弯青少年患者主要采用非手术疗法。近年来，非手术疗法主要应用脊椎侧弯矫形器，且研究表明脊椎侧弯矫形器能够有效阻止青少年特发性脊椎侧弯进一步恶化，避免手术治疗。目前典型脊椎侧弯矫形器主要有密尔沃基(Milwaukee)型[主要适用于年龄较小,20—50度侧凸,病情进展缓慢的脊椎侧弯患者]、波士顿(Boston)型矫形器[主要适用于腰部侧凸患者]、大阪医大(OMC)型矫形器、法国人发明的色努(Cheneau)型矫形器[适用于第6胸椎以下,45度左右的侧凸患者]及其改型CBW[色努一波士顿一威士巴登]型矫形器等。但此类固定矫形器顺应性差，限制患者肌肉发育，妨碍患者正常生活。为改善顺应性，近期提出了采用柔性带方式实现矫形的SpineCor矫形概念，增强了患者佩戴舒适性，改善了患者身体机能灵活性，但降低了矫形效果。综合国内外研究现状及医疗应用表明，现有脊椎侧弯矫形器均为被动矫形器，矫正力无法良好控制；制作及佩戴需根据临床医师或技师的经验；没有考虑患者姿势的改变对支具所产生矫形力的影响；导致矫形器治疗效果有限。而主动矫形器(动态矫形器)尚未有学者研究涉及。

发明内容

为了克服现有脊椎侧弯矫形器矫形力无法控制、顺应性差等不足,本发明提供一种新型动态脊椎侧弯矫形器—特发性脊椎侧弯康复医疗机器人，通过智能化机器人控制方式实现脊椎侧弯矫形力控制，有效阻止脊椎侧弯的进一步恶化，并实现青少年特发性脊椎侧弯的康复治疗。

发明的思想：本发明Stewart型脊椎侧弯康复医疗机器人,其特征在于此Stewart型康复医疗机器人为两个Stewart并联机构串联而成。其结构由上、中、下三层矫正圆环组成，呈与患者躯干匹配整体曲线形状，每层矫正圆环上下端沿周向均布小孔，上层矫正圆环依设计装有3组铰支座，上层圆环侧面上端开有与患者手臂匹配的凹槽。中层矫正圆环装有6组铰支座，下层矫正圆环装有3组铰支座。Stewart型康复医疗机器人前部中间留有间隙，呈对开门结构，每层矫正圆环前端部开有小孔，用于安装松紧调节固定扣带。上层矫正圆环和中层矫正圆环间及中层矫正圆环和下层矫正圆环间均装有6个驱动装置，共12个驱动装置。为增加舒适度，患者和康复医疗机器人间配有内衬。

所述Stewart型康复医疗机器人为两个独立Stewart并联机构串联，每个Stewart并联机构提供6个自由度，此Stewart型康复医疗机器人共提供12个自由度，利于患者三维康复力治疗及日常活动。

所述矫正圆环为硬材质，根据人体躯干扫描生成三维模型，利用制造技术加工成型。增加患者佩戴舒适性和顺应性。

所述驱动装置底部安装有称重传感器和一块调理板，驱动器底端采用虎克铰，上端采用球铰。

所述两个串联Stewart并联机构可独立控制，均采用位置控制和力控制两种控制模式。

本发明的有益效果是，既能够控制作用于人体的力和力矩，也能够控制其位置和方向。以位置控制模式使用情况下，获得某种程度的矫正时，使用称重传感器估计六维力/力矩。以力控制模式使用情况下，装置能对人体施加六维矫正力/力矩，或者在透明模式下采用零力控制。本发明能够阻止脊椎侧弯的进一步恶化，实现青少年特发性脊椎侧弯疾病、脊椎运动损伤、脊椎术后等的康复和辅助治疗，并可用于实时监测佩戴者脊椎健康状态。

附图说明

图1：脊椎侧弯康复医疗机器人示意图。

图2：脊椎侧弯康复医疗机器人实物图。

图3：脊椎侧弯康复医疗机器人实际佩戴图。

图中：1.凹槽 2.上层矫正圆环 3.中层矫正圆环 4.下层矫正圆环 5.聚乙烯泡沫版 6.铰支座 7.调节扣带 8.驱动装置

具体实施方式

在图1中，所述矫正圆环2、3、4为ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)塑料材质，根据人体躯干扫描生成三维模型，利用熔融沉积成型(FDM)技术直接成型。增加患者佩戴舒适性和顺应性。

所述铰支座6为ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)塑料材质，根据设计，利用熔融沉积成型(FDM)技术直接成型。上层矫正圆环依设计装有3组铰支座，上层圆环侧面上端开有与患者手臂匹配的凹槽。中层矫正圆环装有6组铰支座，下层矫正圆环装有3组铰支座。

所述驱动装置8采用线性电动驱动器。在每个驱动器的底部安装有拉压力传感器，驱动器底端采用虎克铰，上端采用球铰。上层矫正圆环和中层矫正圆环间及中层矫正圆环和下层矫正圆环间均装有6个驱动装置，共12个驱动装置，从而形成两个串联的Stewart并联机构。

所述两个串联Stewart并联机构可独立控制，均采用位置控制和力控制两种控制模式，采用多通道驱动器的位置反馈和拉压力传感器电压，将其信号发送至控制板，电机驱动电压为脉宽信号。通过控制板对所述Stewart并联机构进行控制。

本发明的工作原理如下：

本发明基于人体生物力学、三点压力治疗理论和并联机构理论，采用矫形力动态可调方式对特发性青少年脊椎侧弯患者进行康复治疗。其主要结构由上、中、下三层矫正圆环组成，呈与患者躯干匹配整体曲线形状，改善矫形器舒适度与顺应性。前部中间留有间隙，呈对开门结构，且装有调节固定扣带，方便患者穿戴。相邻两层矫正圆环间利用Stewart并联机构进行连接，每个并联机构配有6套驱动装置，提供6个自由度，实现患者的三维动态力矫正。两个串联Stewart并联机构采用位置控制和力控制两种控制模式，能够控制作用于人体的力和力矩，也能够控制其位置和方向，实现对患者施加六维力/力矩矫正，并实现矫正力动态可调。此装置安装有压力、温度传感器等，可实时检测患者受力情况，根据康复状况灵活调整康复方案，为医师提供理论依据。为进一步增加舒适度，患者和康复医疗机器人间使用聚乙烯泡沫板，且减轻矫正力对患者皮肤所造成伤害。此智能化Stewart型脊椎侧弯康复医疗机器人能够阻止脊椎侧弯的进一步恶化，实现青少年特发性脊椎侧弯疾病、脊椎运动损伤、脊椎术后等的康复和辅助治疗，并可用于实时监测佩戴者脊椎健康状态。

Claims (9)

1.一种智能化Stewart型脊椎侧弯康复医疗机器人，其特征在于：该机器人基于Stewart型并联机构，由上、中、下三层矫正圆环组成，呈与患者躯干匹配整体曲线形状，相邻两层矫正圆环间利用所述Stewart型并联机构进行连接，每个并联机构配有6套驱动装置，提供6个自由度，实现患者的三维动态力矫正；

每个所述矫正圆环上都安装有多组铰支座，每套驱动装置的两端分别与相邻矫正圆环上的一组铰支座连接，从而形成两个串联的Stewart型并联机构。

2.根据权利要求1所述的脊椎侧弯康复医疗机器人，其中每层矫正圆环采用硬质材料，上下端沿周向均布小孔。上层矫正圆环侧面上端开有与患者手臂匹配的凹槽。前部中间留有间隙，呈对开门结构，且装有调节固定扣带。

3.根据权利要求1-2任一项所述的脊椎侧弯康复医疗机器人，其特征在于所述驱动装置底端采用虎克铰，上端采用球铰，驱动装置底部安装有称重传感器和调理板。

4.根据权利要求1-3任一项所述的脊椎侧弯康复医疗机器人，其特征在于两个串联Stewart并联机构采用位置控制和力控制两种控制模式，能够控制作用于人体的力和力矩，也能够控制其位置和方向，实现对患者施加六维力/力矩矫正，并实现矫正力动态可调。

5.根据权利要求2所述的脊椎侧弯康复医疗机器人，其中所述矫正圆环是ABS塑料材质，根据人体躯干扫描生成的三维模型，利用熔融沉积成型(FDM)技术直接成型。

6.根据权利要求1-5任一项所述的脊椎侧弯康复医疗机器人，其中所述铰支座为ABS塑料材质，根据设计，利用熔融沉积成型(FDM)技术直接成型。

7.根据权利要求3所述的脊椎侧弯康复医疗机器人，其中驱动装置都采用线性电动驱动器。在每个驱动器的底部安装有拉压力传感器，两个Stewart型并联机构可独立控制，通过采用多通道驱动器的位置反馈和拉压力传感器电压，将信号发送至控制板。

8.根据权利要求4所述的脊椎侧弯康复医疗机器人，其特征在于：该机器人安装有压力、温度传感器等，可实时检测患者受力情况，根据康复状况灵活控制所述Stewart型并联机构，调整康复方案。

9.根据权利要求1所述的脊椎侧弯康复医疗机器人，其特征在于：患者和该机器人之间配有聚乙烯泡沫板的内衬。