CN110801239A - 一种上肢多关节等速训练测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种上肢多关节等速训练测试装置，在测试训练座椅上，安装上肢测试训练机械臂，包括由六个独立控制的电机依次连接的七段连杆，包括连接所述座椅的第一连杆和末端的手柄，使用时，测试者的手臂穿入转盘轴承的内圈，并向前握住手柄。训练或测试工作时，控制中心基于旋量理论，再结合所述位置传感器及所述力矩传感器的反馈信息，计算出各个驱动参数，并输出以驱动六个关节处的六台电机旋转，实现位于多关节末端的手柄的等速运动，从而控制各个连杆带动测试者的手臂作等速训练及测试。本发明公开的上肢多关节等速训练测试装置，极大地简化了等速训练测试装置的结构，提高了控制效率。

Description

一种上肢多关节等速训练测试装置
技术领域
本发明涉及医疗康复及运动健身领域，尤其涉及一种上肢多关节等速训练测试装置。
背景技术
人体或动物体，都是靠肌肉收缩产生力，驱动肌肉两端所连接的骨骼绕骨骼之间的关节进行旋转运动。肌肉收缩，一般可划分为两种基本动作：等张收缩(Isotoniccontraction)，即肌肉输出张力保持恒定而肌肉长度发生变化；和等长收缩(Isometriccontraction)，即肌肉长度保持恒定而肌肉输出张力发生变化。当然，大多数的肌肉收缩，都是以上两种的结合。
医疗康复及运动健身，主要就是让肌肉运动。目前提出来一种新的等速运动的测试训练概念：在关节运动过程中，施加在骨骼末端的阻力产生变化，使得骨骼末端的运动速度保持为恒定。通常做法是：预先在等速装置上设定好运动速度，在测试过程中，阻力变化，使得肌肉用力仅使肌肉力量增加及力矩输出增加，而不改变运动过程中末端骨骼运动的角速度大小，即将运动速度保持为恒定，从而测得等速肌力。
在等速运动中，肢体围绕其关节某一轴进行旋转的角速度保持为不变，但肌纤维长度或缩短或被拉伸，故也是一种动力性收缩，只是输出动力并不保持恒定，即为一种不等张收缩。同时在等速训练时，为了保持末端骨骼运动的角速度不变，等速仪器所提供的是一种顺应性阻力，即阻力大小是随肌肉收缩张力的大小而变化的，这也使得肌肉产生不等长收缩。即在等速运动中，肌肉收缩是兼有等张收缩和等长收缩的某些特点，故是一种特殊的肌肉收缩方式。
等速肌力测试的结果可用于各种原因所致的运动***损伤的辅助诊断、康复治疗、疗效评定和预防。目前，临床上越来越多地运用等速肌力测试来定量评定膝关节骨性关节炎(KOA)或功能障碍、脑卒中、前交叉韧带(ACL)重建术等患者的肌肉功能障碍程度，从而制定针对性的康复目标和计划，为***康复治疗提供科学依据。
人体的上肢，即手臂就是一种多关节机构，从近端到远端，依次包括将上臂连接于肩部的肩关节、连接于上臂和下臂之间的肘关节、和连接于下臂与手之间的腕关节。其中，所述肩关节可作三个方向的旋转运动，包括：内外翻转运动(侧向抬起和放下上臂)、屈伸运动(前后甩动上臂)和内外旋转运动(水平扭动上臂)；所述肘关节可作屈伸运动(抬起和放下前臂)；所述腕关节可作屈伸运动(前后翻转手部)和旋转运动(上下翻转手部)。
但如今市场上等速测试训练仪器产品大多被国外技术封锁，体积较大，质量较重，售价高昂，并且产品也只能针对不同的单关节进行测试训练，测试效率低且效果不佳。
因此，研究设计新型的上肢多关节等速测试训练的装置，具有深远的现实意义。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是，提供一种上肢多关节等速训练测试装置。
为实现上述目的，本发明首先提供了一种上肢多关节等速训练测试装置，包括安装在一个测试训练座椅上的上肢测试训练机械臂，所述机械臂包括通过六个电机依次连接的七段连杆，所述连杆包括连接所述座椅的第一连杆和末端的手柄；所述电机可单独控制，包括：用于控制上肢肩部沿三个方向旋转的三台肩部电机：肩关节内外翻转电机、肩关节屈伸电机和肩关节内外旋转电机；用于控制肘部作上下旋转的肘关节屈伸电机；用于控制手掌上下翻动的腕关节屈伸电机；和用于控制前臂沿轴向翻转的前臂旋转电机；所述三台肩部电机的三个旋转轴线，相交于肩窝点；所述肩关节内外旋转电机的旋转轴线与所述肘关节屈伸电机的旋转轴线，相交于肘关节中心；所述腕关节屈伸电机的旋转轴线和所述前臂旋转电机的旋转轴线，相交于腕关节中心；所述肩窝点与所述肘关节中心之间设有供测试者的臂部穿过的转盘轴承；每台所述电机上安装有位置传感器及力矩传感器，用于检测与所述电机连接的两段连杆之间的相对运动。
优选地，各个电机通过交叉滚子轴承连接在相应的连杆上。
优选地，肘部连杆固定连接所述转盘轴承的外圈，所述肩关节内外旋转电机使用齿轮传动驱动所述转盘轴承的外圈转动。
优选地，每一电机的转子连接的连杆上，还装有角度限位装置，用于防止两条连杆之间的转角超过设定的限值。
优选地，测试者的手掌握住所述手柄，所述前臂旋转电机驱动所述手柄横向转动。
优选地，所述座椅包括椅面和椅背，所述椅背上设有滑轨，所述机械臂的第一连杆可拆卸地安装于所述滑轨上，可沿所述滑轨平移。
优选地，所述椅背与所述椅面之间的角度可调整。
优选地，所述连杆的长度可调节，包括可相对滑动后固定的两部分，以适应人体的关节距离。
优选地，所述上肢多关节等速训练测试装置还包括一控制中心，所述控制中心基于旋量理论，并结合所述位置传感器及所述力矩传感器的反馈，计算并输出各参数控制各电机的旋转，实现所述手柄的等速运动。
更优选地，所述控制中心通过PID控制方法控制各电机实现等速运动。
本发明中，所述的上肢多关节等速训练测试装置的使用方法，包括以下步骤：
a.测试者坐于所述座椅上；
b.测试者的手臂穿入所述转盘轴承的内圈；
c.测试者的肩部关节中心位于所述肩窝点，测试者的肘部关节中心位于所述肘关节中心，测试者的腕部关节中心位于所述腕关节中心；
d.测试者的手掌握住所述手柄；
e.在所述位置传感器及所述力矩传感器的反馈下，基于旋量理论，控制各电机的旋转，实现所述手柄的等速运动。
优选地，所述步骤e中，通过PID控制方法控制各电机实现等速运动。
技术效果
本发明提供了一种上肢多关节等速训练测试装置，在测试训练座椅上，安装上肢测试训练机械臂，包括由六个独立控制的电机依次连接的七段连杆，包括连接所述座椅的第一连杆和末端的手柄，使用时，测试者的手臂穿入转盘轴承的内圈，并向前握住手柄。训练或测试工作时，控制中心基于旋量理论，再结合所述位置传感器及所述力矩传感器的反馈信息，计算出各个驱动参数，并输出以驱动六个关节处的六台电机旋转，实现位于多关节末端的手柄的等速运动，从而控制各个连杆带动测试者的手臂作等速训练及测试。本发明公开的上肢多关节等速训练测试装置，极大地简化了等速训练测试装置的结构，提高了控制效率。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的上肢多关节等速训练测试装置的整体结构示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的上肢测试训练机械臂的整体结构示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的上肢多关节等速训练测试装置的使用方法流程图。
图中，1.椅背、2.椅面、3.底座、4.肩关节内外翻转电机、5.连杆、6.连接滑块、7.肩关节屈伸电机、8.肩关节内外旋转电机、9.转盘轴承、10.肘关节屈伸电机、11.传动齿轮、12.腕关节屈伸电机、13.手柄、14.前臂旋转电机、20.机械臂。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
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，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本发明首先提供了一种上肢多关节等速训练测试装置，整体结构如图1所示，包括一测试训练用的座椅，包括椅背1和椅面2，固定或可转动安放于一底座3上。其中，所述椅背1与所述椅面2之间的角度可根据测试者的实际习惯作调整，从而增加爱测试者的舒适度。所述座椅上设置有一上肢测试训练用的机械臂20。测试训练时，测试者就坐于所述椅面上，将手臂***所述机械臂20中，跟随所述机械臂20中各段连杆5的运动而运动。
具体地，如图2所示，所述机械臂20包括通过六个电机依次连接的七段连杆5，并且通过第一连杆设置于所述座椅上。各个电机通过交叉滚子轴承连接在相应的连杆5上，所述电机的机身与转子分别连接不同的连杆5，从而当所述电机转动时，可以驱动连接于所述电机的两根连杆5发生相对转动。
在一个更佳的实施例中，为了适应不同的测试者的手臂各关节之间的距离，各段所述连杆5的长度可调节，例如每根连杆5分为可相对滑动后固定的两部分，根据测试者的手臂各段的长度进行适应性调整。
在一个更佳的实施例中，所述第一连杆连接于所述椅背1上，尤其是以可滑动的方式连接。具体可为：所述椅背1上设有滑轨，所述第一连杆通过一连接滑块6可拆卸地安装于所述滑轨上，可沿所述滑轨平移，从而可以根据测试者的实际需要而调整位置，以增加测试者的舒适度。并且，所述连杆5还包括位于末端的手柄13，测试训练时，测试者的手掌握于所述手柄13上，跟随所述机械臂20运动。
如图2所示，所述电机首先包括用于控制上肢肩部沿三个方向旋转的三台肩部电机：肩关节内外翻转电机4、肩关节屈伸电机7和肩关节内外旋转电机8，所述三台肩部电机，以相互正交的方式，设置于两根连杆5上，分别用于控制上臂沿侧向抬起和放下、沿前后方向甩动上臂、及沿水平方向扭动上臂。其中，所述肩关节内外翻转电机4和所述肩关节屈伸电机7之间，考虑到肩关节具有一定的厚度，故优选为使用一根L型连杆连接。并且，所述三台肩部电机的三个旋转轴线，相交于肩窝点，即图2中的O1点。当测试者坐于所述椅面1上后，沿所述滑轨滑动所述连接滑块6，调整所述机械臂20与测试者之间的距离，使得测试者的肩窝位于图2中的O1点。
如图2所示，所述电机还包括用于控制肘部作上下旋转的肘关节屈伸电机10，用于控制手掌上下翻动的腕关节屈伸电机12，和用于控制前臂沿轴向翻转的前臂旋转电机14。其中，在安装时，所述肩关节内外旋转电机8的旋转轴线与所述肘关节屈伸电机10的旋转轴线，相交于肘关节中心，即图2中的O2点，在使用时，测试者的手肘关节放置于O2点。而所述腕关节屈伸电机12的旋转轴线和所述前臂旋转电机14的旋转轴线，相交于腕关节中心，即图2中的O3点，在使用时，测试者的手腕关节放置于O3点。并且测试者的手掌握住所述手柄13，由所述前臂旋转电机14驱动所述手柄13横向转动，带动手掌乃至前臂沿轴向翻转。
考虑到测试者的手臂需要跟随所述机械臂20同步运动，故在所述肩窝点O1点，与所述肘关节中心O2点之间，设有供测试者的臂部穿过的转盘轴承9。测试者的上肢向下从所述转盘轴承9的内圈穿过，再弯折向前方，直至所述内圈套于上臂，手掌握住所述手柄13。此时，测试者的肩窝位于O1点，手肘关节放置于O2点，手腕关节位于O3点。
对应于测试者肘部的肘部连杆固定连接所述转盘轴承9的外圈，并且，所述外圈外侧固定套有齿圈，所述肩关节内外旋转电机8的转子就通过传动齿轮11传动、驱动所述外圈转动，从而带动所述肘部连杆左右摆动。
并且，考虑到为等速运动，故在每台所述电机上还安装有位置传感器及力矩传感器，实时检测连接在所述电机两侧的两根连杆5之间的相对运动情况，包括相对运动的幅度和速度，反馈给控制中心，从而实时调整发送给各个电机的驱动命令，以实现等速运动。
为了防止所述连杆5转动或扭动角度过大，对测试者的手臂产生伤害，故在一个更佳的实施例中，每一电机的转子所连接的连杆5上，还装有角度限位装置，用于防止两条连杆5之间的转角超过设定的限值。
各级连杆5之间的相对运动，由各个电机控制。具体地，所述上肢多关节等速训练测试装置还包括一控制中心，所述控制中心基于旋量理论，并结合所述位置传感器及所述力矩传感器的反馈，计算并输出各参数控制各电机的旋转，实现末端所述手柄的等速运动。所述参数至少包括各电机的转速和旋转持续时间。
并且，更佳地，所述控制中心通过PID控制方法控制各电机实现等速运动。
具体地，本发明的各电机的旋转参数，包括角速度和持续时间，都是基于旋量理论(screw theory)的方法计算出的。旋量理论方法具有简化机构分析、避免奇异等优点。其中，旋量又称为“螺旋”，由6个标量值表示，构成一组同时表示矢量的方向和位置的对偶矢量，可同时表征刚体的角速度和线速度，或者刚体力学中的力和力矩。所述方法使用旋量理论对所述机械臂20的各个关节机构进行分析，通过确定机构中各关节的相关参数及运动旋量坐标，再通过运动旋量坐标变换及指数积公式得出各关节之间的旋量坐标变换关系，然后通过构造基于指数积方法的雅可比矩阵，即可得到各关节之间的速度关系，最后通过控制改变各参数，实现旋量等速及末端等速，最终实现多关节的等速控制。
可见，本发明公开的所述上肢多关节等速训练测试装置的使用方法，如图3的流程图所示，包括以下步骤：
a.测试者坐于所述座椅上；
b.测试者的手臂穿入所述转盘轴承9的内圈；
c.测试者的肩部关节中心位于所述肩窝点O1，测试者的肘部关节中心位于所述肘关节中心O2，测试者的腕部关节中心位于所述腕关节中心O3；
d.测试者的手掌握住所述手柄13；
e.在所述位置传感器及所述力矩传感器的反馈下，基于旋量理论，控制各电机的旋转，实现等速运动。
具体地，所述步骤e中，可以通过PID(proportional-integral-derivativecontrol，比例积分微分控制)等控制方法控制各电机实现等速运动。此为本领域的常用技术，在此不加详述。
综上所述，本发明提供了一种上肢多关节等速训练测试装置，在测试训练座椅1上，安装上肢测试训练机械臂20，包括由六个独立控制的电机依次连接的七段连杆5，包括连接所述座椅1的第一连杆和末端的手柄13，使用时，测试者的手臂穿入转盘轴承9的内圈，并向前握住手柄13。训练或测试工作时，控制中心基于旋量理论，再结合所述位置传感器及所述力矩传感器的反馈信息，计算出各个驱动参数，并输出以驱动六个关节处的六台电机旋转，实现位于多关节末端的手柄13的等速运动，从而控制各个连杆5带动测试者的手臂作等速训练及测试。本发明公开的上肢多关节等速训练测试装置，极大地简化了等速训练测试装置的结构，提高了控制效率。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。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。

Claims (10)

1.一种上肢多关节等速训练测试装置，其特征在于，包括安装在一个测试训练座椅上的上肢测试训练机械臂，所述机械臂包括通过六个电机依次连接的七段连杆，所述连杆包括连接所述座椅的第一连杆和末端的手柄；
所述电机可单独控制，包括：
用于控制上肢肩部沿三个方向旋转的三台肩部电机：肩关节内外翻转电机、肩关节屈伸电机和肩关节内外旋转电机；
用于控制肘部作上下旋转的肘关节屈伸电机；
用于控制手掌上下翻动的腕关节屈伸电机；和
用于控制前臂沿轴向翻转的前臂旋转电机；
所述三台肩部电机的三个旋转轴线，相交于肩窝点；
所述肩关节内外旋转电机的旋转轴线与所述肘关节屈伸电机的旋转轴线，相交于肘关节中心；
所述腕关节屈伸电机的旋转轴线和所述前臂旋转电机的旋转轴线，相交于腕关节中心；
所述肩窝点与所述肘关节中心之间设有供测试者的臂部穿过的转盘轴承；
每台所述电机上安装有位置传感器及力矩传感器，用于检测与所述电机连接的两段连杆之间的相对运动。
2.根据权利要求1所述的上肢多关节等速训练测试装置，其特征在于，各个电机通过交叉滚子轴承连接在相应的连杆上。
3.根据权利要求1所述的上肢多关节等速训练测试装置，其特征在于，肘部连杆固定连接所述转盘轴承的外圈，所述肩关节内外旋转电机使用齿轮传动驱动所述转盘轴承的外圈转动。
4.根据权利要求1所述的上肢多关节等速训练测试装置，其特征在于，每一电机的转子所连接的连杆上，还装有角度限位装置，用于防止两条连杆之间的转角超过设定的限值。
5.根据权利要求1所述的上肢多关节等速训练测试装置，其特征在于，测试者的手掌握住所述手柄，所述前臂旋转电机驱动所述手柄横向转动。
6.根据权利要求1所述的上肢多关节等速训练测试装置，其特征在于，所述座椅包括椅面和椅背，所述椅背上设有滑轨，所述机械臂的第一连杆可拆卸地安装于所述滑轨上，可沿所述滑轨平移。
7.根据权利要求6所述的上肢多关节等速训练测试装置，其特征在于，所述椅背与所述椅面之间的角度可调整。
8.根据权利要求1所述的上肢多关节等速训练测试装置，其特征在于，所述连杆的长度可调节，包括可相对滑动后固定的两部分，以适应人体的关节距离。
9.根据权利要求1至8任一所述的上肢多关节等速训练测试装置，其特征在于，还包括一控制中心，所述控制中心基于旋量理论，并结合所述位置传感器及所述力矩传感器的反馈，计算并输出各参数控制各电机的旋转，实现所述手柄的等速运动。
10.根据权利要求9所述的上肢多关节等速训练测试装置，其特征在于，所述控制中心通过PID控制方法控制各电机实现等速运动。
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