CN111449903A - 恢复上肢及下肢运动的设备 - Google Patents

Abstract

本发明专利是一个关于恢复上肢及下肢运动的设备，该设备小巧、可手提、携带方便及含一个用于患者肢体末端的装置、一个机械臂、一个齿轮***、两个发动机、一个虚拟及/或增强现实的软体、一个管理***，让生病或神经***、肌肉骨骼、风湿性病变的患者从而可以在三维空间进行运动及锻炼，包含于术后进行恢复的患者，致使他们可以锻炼及恢复上肢及下肢运动，也适用于想进行体能锻炼及调节的群体。

Description

恢复上肢及下肢运动的设备

本申请为2017年9月20日提交的，发明名称为“恢复上肢及下肢运动的设备”，申请号为201710853807.3的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明专利是一个关于恢复上肢及下肢运动的设备，该设备小巧、可手提、携带方便及含一个用于患者肢体末端的装置、一个机械臂、一个齿轮***、两个发动机、一个虚拟及/或增强现实的软体、一个管理***，给神经***、肌肉骨骼、肌肉、风湿性、运动及/或认识能力损伤或疾病的患者可以在三维空间进行运动及锻炼，包含于术后进行恢复的患者，致使他们可以锻炼及恢复上肢及下肢运动，也适用于想进行体能锻炼及调节的群体。

背景技术

患有神经***、肌肉骨骼、肌肉、风湿性、运动及/或认识能力损伤或相关疾病的病患，生活产生严重混乱，影响着日常活动，从一个最简单动作，如取一个东西至完整的运动，如个人保养及清洁和操作设备，如此，深深的干扰着社交、工作及家庭生活。

这些病变通常并非源于意外、实际损伤、退行性疾病或中风AVC，但是存在一些术后需要恢复运动的案例，使患者可以恢复日常活动。

为了协助患者恢复，物理治疗师透过人类知识领域而开发的技术，让每位患者进行不同的运动。

虽然这些专业人士的工作对于病患的恢复非常的重要，治疗和复原需要更多时间，因为物理治疗需要物理治疗师的参与，并且和患者一起执行动作。如此，患者的运动的时间受制于与物理治疗师复健的时间长度。除此以外，每一个动作取决于物理治疗师的体力，专业人士本身会感到疲累及体力消耗，这将影响到治疗品质，因为物理治疗师在经过许多疗程后，将不会有一样的表现及体力来与患者一起进行活动。

另一个劣势是物理治疗师仅可对患者进行体力、活动能力及进化的主观性监测或评估，并无法进行一个数据以数字指标的定量监测或评估，这可能使患者的检查结果不准确，而定义为治疗方法不充足。除此以外，由于主观性监测或评估，两位或多于两位以上的物理治疗师，可能出现不同的看法。

在尝试协助恢复患者的运动及物理治疗师的工作，已经研发许多种类的设备使恢复上肢及下肢运动，这些都已经包含当前的技术，下列将提到。

美国专利第8,177,688号公开了一个使恢复上肢及下肢运动的大型设备，这个必须特定安装，非常难运输，并且患者必须站着执行动作，根据病变的程度，患者以带子、线或其他材料被固定。

美国专利第5,704,881号公开了另一个大型恢复运动的大型设备，患者通过一组系带而悬挂。

美国专利第6,666,831号公开了一个使恢复上肢及下肢运动的大型设备，患者透过系带而悬挂，肢体跟两脚透过两个机械杆连接，使其进行抬脚的动作。

美国专利申请2015/0342817公开了恢复下肢运动的设备，使患者在水平面上运动而恢复运动，下肢固定在一个基底上。

专利PI 1000960-4为一个恢复下肢运动的设备，患者透过系带而呈现悬挂，下肢则上下摆动，致使达到运动恢复。

专利WO 2014/085810是一个使手恢复运动的设备，采用弹簧***、行星齿轮、齿条及一个执行内旋、外旋及伸缩锻炼的发动机，一次一个动作，在水平面上。

美国专利7,367,958公开了以肌电信号传感器支撑并且连接至患者的手臂及前臂，促使上肢的运动。

美国专利5,951,499公开了一个恢复手部、手臂及前臂动作的设备，仅仅进行肢体内旋及外旋的动作，而将上肢安置在设备内，需要非常的久的时间。

美国专利申请2016/0000633公开了一个可进行锻炼的恢复设备，每次一个动作，在一个二维空间，采用驱动器、关节臂及一个使关节臂运动且进行恢复锻炼的***。

美国专利5,466,213公开了一个恢复上肢的大型设备，含可执行运动的关节臂，每次一个动作，在水平面上。透过这个设备，患者在分别进行伸缩及伸展的运动，在内旋及外旋运动之后，在侧向运动之后。由于设备太大，致使搬运困难。

美国专利7,618,381公开了一个恢复上肢的设备，可运动患者的前臂和手腕，固定在一个基座或设备，让手腕可执行运动。这些动作皆在二维空间上进行。设备的一部分，透过三个发动机运动手腕，致使达到目的并且与关节臂连接，而关节臂与两个发动机连接，致使上肢的其他部分进行运动，患者的手臂也固定在一个基底。其特征在于设备过于大型，使搬运困难，而将上肢安置在设备内，需要非常的久的时间，为平面及固定性运动，每次一个动作。

专利WO 2014/057410，是一个外骨骼，致使恢复下肢运动。

专利WO2012/176200，是一个恢复上肢运动的设备，含一个感应***、一个驱动机械及一个数据处理组件，透过这些取得健康肢体的信息及规划出需要恢复肢体的运动。

虽然患者上肢或下肢恢复运动有很大的发展，这些含最新科技的设备有些不便及一些缺点。

其中一个缺点是关于设备的体积，由于上述的级皆为大型，使搬运变得困难并且需要清空地点来安装及使用。如此，患者必须要去到设备的所在地点，运动的实施被设备所在地点的时间及地点限制，且约束运动的数量，而让恢复的时间拉长。

另外一个缺点是关于将患者肢体安置在设备内的时间。由于大部分的设备要求肢体支撑在一个基底或设备或患者透过系带而呈现悬挂，物理治疗的时间取决于患者定位的时间，这会使复建的时间缩短。

我们也可提出透过含目前高科技设备进行运动及锻炼，但是动作与人平时做的动作AVD并不相同，因为，在运动及锻炼的过程中，患者的四肢支撑在基底及设备或透过系带呈现悬挂，这与日常生活的动作并不相同，因为肢体的关节，人们大致上在三维空间内执行主要为曲线型的动作。

除此以外，设备的设计是让患者一次做一个动作，并无动作的连接，这个也与日常生活中所做的运动不同。

另外一个缺点则是按照目前的科技，他们将运动设计在一个水平面进行，这刺激部分脑补，因为在一个水平面进行动作，力量及重力为垂直方向和向下，并不影响肢体的动作，致使患者的恢复较慢。

小部分设备列入目前科技且采用综合驱动体，致使在执行动作的时候，与患者进行交流，但是这些软体不够刺激及激励，因为仅仅表现动作的原点及目标点，没有任何的虚拟环境来情境化动作，也没有和日常生活的动作AVD进行连接。除此以外，目前的软体并不清晰且无完善的听觉和视觉设计，致使患者在复建课程中被刺激认知。

发明内容

发明，为本专利申请的物件，这个透过一种创新、传统及创意的方式来协助上肢及下肢运动的恢复，成立一个崭新的解决方法，并推断目前的科技而为人类知识领域带来富有意义的创新。

本设备可以用来进行运动，给神经***、肌肉骨骼、肌肉、风湿性、运动及/或认识能力损伤或相关疾病的患者，如AVC脑中风的患者，或发生意外或身体创伤，也适用于术后恢复的患者，那些需要修正或再次学习运动的以及预防性培训目的为预防发生上述疾病。

除了在病患运动恢复起作用，发明的设备在个人体能锻炼及调理有极大的效果。

设备在三维空间内进行运动及锻炼，患者做的动作与日常生活的动作AVD类似，而且可以强调，并不会有疲累的感觉，在移动一个物件到另一个位置，拿起一个物件及放置在桌子上、举起叉子及将食物送入口内、开门、准备早餐、采水果、拿面包及将其放入烤箱或微波炉、踢球、开车加速、爬楼梯、进行体育活动及体能锻炼及调理、参加比赛及其他。

这个动作在三维空间，比如幅度运动、横向移动、患侧运动及对侧运动需要更强烈的肌肉激活，尤其是与在水平面进行运动及含基底支撑肢体，促进脑部刺激，因为需要驱动更多的肌肉群及脑部，也需要较多的神经环路来执行运动。

透过肢体与设备的连接，让他悬挂在空间并且运动受重力影响，让动作与人日常生活的动作相似，也增强肌力及脑部运动来协调动作，是恢复过程更加快速。

也可以说，人在日常生活里的动作AVD，大部分是曲线路径，这会反射在发明设备上。

以这些特征，设备使患者的恢复更加快速及完善，且可以克服含现代科技设备的问题，这些设备着重在平面及支撑动作，这使脑部减少刺激，致使产生的动作与日常生活的动作AVD无太大相似。

发明的设备，当处于活动模式，患者可活动机械臂，而设备透过屏幕进行播放。

当处于辅助-活动模式，设备可协助进行动作，调节力量、位移、速度及加速，按照每个人的需求及每位病患的复建规划。这非常有效，比如，脑中风AVC的患者要恢复运动，他们的肢体呈现不规则动作，因为设备会陪同及纠正，以温柔的方式，偏差的动作以保持在期望的程序内。

当处于辅助-活动模式，我们也可以将设备设定向患者的动作提供阻力，这对于锻炼及体调节是非常有效益的。

当处于活动模式，设备会对患者的动作进行引导，按照设置的复健计划。

这些程序涉及位移、速度及加速的动作及运动，按照计划的复建疗程或锻炼及体能调节计划。

除了采用这些，设备可以用来评估、监测及检查患者的运动问题及其恢复，测量其力量、空间轨迹、速度、准确性及其他诊断项目，可能取得精准及含目标性的数据，致使进行一个较为严谨的评估，让复建计划更加快速及完善。

由于小巧、可携带、轻巧、容易移动及使用时不需特别安置，患者可在自家使用设备，诊所、复健所、物理治疗所、医院、医疗机构及，包括在健身房，如果是锻炼及体能调理的案例。

发明的设备含一个装置来连接患者上肢及下肢的末端、一个机械臂、一个齿轮***、两个发动机、一个或两个驱动器，一个虚拟及/或增强现实的软体及一个管理***。

装置可连接患者肢体末端与恢复运动的设备连接，并且可以呈现许多的形状，取决于连接以患者的手或脚、采取的运动及种类和患者本身出现的后遗症种类。

在上肢恢复的案例，透过手而连接的装置，几乎是圆形或人体工学形给患者的或手指，但是也可以采用一个杆，一个操纵杠或其他形状，致使患者可以手持。

设置的内部可含感应器，让患者的手或脚可以出力及取得视觉、声音效果或其他在虚拟及/或增强现实的软体，这会对患者促进刺激，因为大脑的认知部分也与运动部分一起活动。

在下肢恢复的案例，装置可以为圆形、椭圆形、版形、踏板形或其他使患者可以放置脚的形状。

对于上述两种案例，装置与脚或手连接是透过系带或魔鬼毡，为了使患者于设备的连接更简单及快速。对于这个活动，仅需要将脚或手定位在装置及系上带子或魔鬼毡，这使过程更加快速及简化，并且更多时间可以进行运动。

装置将优先以硅胶制造，但是也可采用塑料、聚合物、弹性体、泡棉、木材、金属或其他材料，表面、纹理及浮雕可有或无涂层，让与患者的连接更加简易或促进触觉或肢体末端的敏感度。

装置可以固定在机械臂或在内部含一个万向节、一个轴承***或一个球形接头，让机械臂取得流动性。

优先采用轴承***、万向节或球形接头，因为装置与机械臂的旋转动作可以让其在手腕及肢体进行更多的结合动作，这有利于患者恢复及发明设备的通用性。

比如，不让患者在做上肢恢复动作时感到疲累，透过轴承***或万向节或球形接头，让患者进行拳头的回转并且配合前臂、手臂及肩膀的动作。如果涉及下肢的恢复，脚踝可以与膝盖、腿部及臀部一起进行回转动作。

在发明的设备，值得一提的是，患者肢体与设备的唯一连接点是透过这个装置。如此，患者的肢体悬挂于空间，无任何的支撑或基底，受重力的影响且可以自由的在三维空间内移动，这使所有的运动及动作与日常生活的动作更加相似。

除此以外，这个对齐连接的方法致使动作在三维空间更加完整，给所有肢体的所有部位及关节提供综合及同步的的运动，要求患者更强的肌力，致使刺激脑部且允许行使曲线轨迹，有益于患者的运动恢复。

对于运动及体能锻炼及调理，在进行动作时，可以要求或给予特定的肌力，有益于取得快速及有效的成果。

机器臂最好是含一个大杆，长度约1cm至100cm之间，及一个小杆，长度约5cm至50cm，当两个杆连接时，可以形成任何角度。

两个杆可以是直的或是有任何弯度的，而机器臂可以只附小杆，可以是直的或是有任何弯度的，长度约为5cm至100cm之间。

机器臂可以由金属、塑料、木材、聚合物或其他材料，表面、纹理及浮雕可有或无涂层。

也可以采用上述材料来制造机器臂的核心，并且表面、纹理及浮雕可有或无以上述材料做涂层。在配置上，机器臂的核心将为金属的且含塑料涂层。

在一个末端，机械臂与患者的脚或手的装置连接，及在另一个末端，他们与齿轮***连接，以卫星布局，由于齿轮***的固定是透过螺丝、销、粘合剂、胶水或其他材料。

齿轮***含两个相对齿轮，一个星形齿轮及一个放置在齿轮之间的连接元件。

相对齿轮与发动机的连接是透过半轴及/或管套，同时，星形齿轮与机械臂连接并且与相对齿轮呈现垂直。

齿轮为圆锥形的或半球形，齿为直形或螺旋形，以及可含或不含预防间隙或反弹的机制。

齿轮之间的连接元件可以为棱形及多边形或圆形底座，一个圆形或多面形。

这个连接元件与星形齿轮的连接是透过一个销，并且和相对齿轮接触。连接元件将负责保持三个齿轮之间的连接。

发动机传输扭矩和旋转至相对齿轮，另方面，促进星形齿轮的运作，这将造成机械臂的动作，致使患者的肢体以某种路径、力量及速度在三维空间移位。必须强调这些动作将于正常健康的人在日常生活内所做的动作相似。

举例说明齿轮***的运作及透过机械臂进行动作的效果，我们可以提及，并无广泛的意思，一些齿轮旋转的种类。

当两个相对齿轮进行旋转且同个方向，在同一个轴线及大小周围，连接元件和星形齿轮将在呈现一个曲线运动，在相对齿轮的横轴出现垂直面，且让患者的肢体与机械臂在垂直平面进行这样的动作。

如果我们讨论的是上肢，手部、前臂、手臂及肩膀，将进行弯曲及伸展的运动。假设连接手的装置由轴承***或万向节或球形接头，手腕将透过弯曲及伸展肢体其他部位的运动来进行旋转动作。

如果讨论的是下肢的话，弯曲机伸展的运动将适用于脚、腿部、大腿及臀部，而脚踝将进行旋转的动作。

如果两个相对齿轮在同一个轴线的旋转是不同的方向，但是同一个大小，星形齿轮会在中轴线上旋转，连接元件将静止，而机械臂将在曲线路径上与星形齿轮的轴呈现垂直平面。

所以，如果是上肢，将会在这平面进行曲线路径，这将给肌肉及肢体关节带来多元及综合的运动。如果是下肢的话，将会发生脚的内翻及外翻；脚踝关节的弯曲及伸展；膝盖旋转的弯曲及伸展，因为患者是坐着，而膝盖呈现弯曲致使进行动作。

假设相对齿轮呈现旋转而大小不同，可以为相同或不同的方向，或一个相对齿轮产生旋转，而另一个呈现静止，将会造成连接装置和星形齿轮在斜面至水平面的运作，这将切割相对齿轮的轴，让患者的机械臂和上肢在三维空间进行倾斜和曲线路径，使其在路径过程中，进行触摸动作、交叉动作、患侧动作、对侧动作、旋转动作及反掌动作、弯曲及伸展、内收及外展。对于下肢，动作是相似的，除了旋转动作及反掌动作，这为膝盖的内外转。这些动作都需要肌肉活化及大脑刺激，因为需要运作更多的肌肉群且大脑必须招收许多的神经回路，致使执行运动，让患者的恢复更加快速和完善。

如此，可以证实齿轮的运作会在三维空间产生更多路线，致使执行许多恢复及体能调理和锻炼的运动及动作。

这个新发明设备的不同在于适用在患者肢体的动作是多元的，可以同时运动许多的肌肉群，并且以重力的作用在三维空间的曲线路径进行，致使与日常生活中的动作非常相似。

如此，由齿轮***产生的动作及肢体在空间悬挂的定位，允许同时进行多类肢体恢复运动，利用相同的机械臂的移位路径，如侧面、交叉、患侧、对侧、外翻及内翻、内收及外展、弯曲及伸展及旋转及反掌，远远超过含目前新科技的设备，这些仅可在平面路径进行，而患者的肢体必须定位在基底上。

每个相对齿轮与发动机的连接是透过一个半轴及/或管套，并且在齿轮及发电机之间可有或无存在减速箱。

发动机的力矩在0,05Nm及50Nm之间，具备定位感应器且可将信息传输至管理***。

发动机可以与相对齿轮呈现对齐，或者可以呈现垂直，这个情况之下，发动机动作传输至齿轮的动作将透过一个连接器或“L”形状的减速器。

设备优先的配置，每个发动机必须连接至驱动器，这可将逻辑信号转换成电子信号，两个驱动器之间存在一个连接，致使进行同步。所以，可以仅存在一个驱动器，同时供应两个发动机。

驱动器的功能是从管理***接收来自逻辑的信号，将这些逻辑信号转换成电子信号，并且将信号发送至发动机而产生旋转及力矩。

管理***接收虚拟及/或增强现实软体的信息，实时的管理这些软件、驱动器及发动机之间的传输信息，以互动的方式管控着齿轮、机械臂及病患肢体的动作。

虚拟及/或增强现实的软体可与患者进行视觉互动，内含动作的数据及资料，这些将采用于恢复运动或体能锻炼及调理。

透过虚拟及/或增强现实的软体，管理***可以计算患者即将执行的路径，包括力量及动作的速度，并将逻辑信号发送至驱动器，将其转换成电子信号让发动机运作，而产生旋转及齿轮扭矩。所以，齿轮、机械臂及患者的肢体将运作，以某种力量及速度在某个路径。

在发送信息的同事，管理***会接收关于患者运动的反馈，比较虚拟及/或增强现实的软体所接收的信息，重新计算路径及发送信号至发动机，致使产生旋转及力矩来修改路径、力量及速度。同时，传输这些信息至虚拟及/或增强现实软体，并且在屏幕上播放动作纠正。

虚拟及/或增强现实的软体与患者互动，具备一个优美、清晰及激励的图形界面，含有图像、颜色及声音的游戏、情境及环境，等于是模拟人类生活真实情境，比如，如何讲一个物件带到另个地方、在架子上取一个物件并将其放置在桌子上、开门、准备早餐、取水果、哪面包并且放入烤箱或微波炉、进行运动或体能锻炼及调理、参加比赛、开车加速、踢球、爬楼梯及其他情境。

在所有的情境内，都会在屏幕或银幕上出现患者脚或手的三维图像，透过这个方式模拟肢体的功效动作，使其可以引起情境的想象及实际情况，在疗程中采用损伤的肢体，如此可激化及恢复大脑受损部位，与执行的运动相应。

虚拟及/或增强现实的软体会显示机械臂末端的动作，与患者的手或脚相应，将这些动作植入虚拟情境，让患者可以在三维空间内视化手和脚的动作，患者与设备透过虚拟及/或增强现实的软体进行互动，这在运动恢复过程中非常的重要，因为患者可以在视化其肢体动作时而取得反馈，这个呈现的是现实情景；可以感觉设备在肢体上的施力及动作、路径、力量及速度的修改，而在三维空间的动作则与计划中的恢复动作或体能调理及锻炼的动作不同。

如此，无论是肌肉及运动或患者的认知部分都有恢复的发展。

虚拟及/或增强现实的软体可以在电视屏幕、电脑屏幕、一个投影机或任何其他资源进行播放，而让患者可以进行观赏。

虚拟及/或增强现实的软体，其游戏及虚拟情境可以在无其他附加组件之下运作，但是，为了优化患者在游戏或虚拟情境的透入及增加认知的激化，可以使用虚拟及/或增强现实的眼镜。

发明的设备含视频端口，形状为市场标准，如VGA、HDMI及/或DVI。

虚拟及/或增强现实软体的另一个特征就是可以“多人”，或者说，两个患者以上在不同的设备可以在同一个游戏、情境或环境上互动，这让运动与正常健康的人在日常生活里的动作AVD相似。

虚拟及/或增强现实的软体可以按照每位患者的需求进行配置，而在设定后，患者可以执行运动且不需要个人看护或物理治疗师的陪同。

整理了设备的这些特征，事实证明设备小巧、可携带、轻巧及方便运送，患者可以在自家进行运动，次数自己决定，这将会使其恢复或体能锻炼及调理更加快速。

这也简化物理治疗师的工作，因为让其可以同时监督许多为患者的运动，无论是在设备所在处或远端。

每位患者的运动计划会记录在虚拟及/或增强现实的软体内，内含存储信息的数据库，可透过密码或指纹辨识进行查询。

设备也具备触屏的装置，与平板或其他外键装置相同，如键盘及滑鼠，可以查询设备的控制功能。如此，物理治疗师或患者可以查看恢复及体能调理及锻炼动作的参数。

附图说明

为了展示及简化对这个发明的了解，将出示下列示意图。

图1展示恢复上肢及下肢运动仪器的透视图，由此可以观察到设备(1)，紧急按钮(2)，面板(3)，指纹解读器(4)，符合人体工学给上肢末端设定的装置(5)及机械臂(6)。

图2展示的立体图是上肢及下肢恢复运动的设备，透过这个我们可以发现设备1，紧急按钮2、平板电脑3、依照人体工学给上肢末端设定的装置7及机械臂6。

图3展示的立体图是上肢及下肢恢复运动的设备，透过这个我们可以发现设备1，紧急按钮2、平板电脑3、依照踏板给下肢末端设定的装置8及机械臂6。

图4展示设备1在携带箱9里面。

图5展示的是机械臂，呈现圆形装置5，万向节10，感应器45，大杆11，小杆12。透过这个图像可以发现大杆及小杆有一个核心13及一个表面涂层14。

图6展示的是机械臂6，圆形装置5，含相对齿轮的齿轮***15，连接元件16，星形齿轮17，管套18连接着每个相对齿轮与一个发动机19及减速箱20。

图7展示的是齿轮***的切割，使呈现相对齿轮15，连接元件16，星形齿轮17，固定销21星形齿轮至连接元件，固定螺丝钉22固定星形齿轮在机械臂的小杆12，大杆11及管套18。

图8展示的是设备1外部配置和发动机与相对齿轮呈现横向垂直，设置也呈现球状5，机械臂6，平板电脑(tablet)3，指纹辨识器4。

图9展示的示意图是虚拟及/或增强现实的软体23的关系，与管理***24，驱动器25，发动机19，相对齿轮15，星形齿轮17，机械臂06，患者肢体26。在图像也显示信息发送的路线27及其反馈的路线28。

图10展示的是设备1和屏幕29，会播放虚拟及/或增强现实的软体23的虚拟游戏、情境及环境，而上述两项都放置在一个桌子30上。

图11展示的是患者47及其上肢31和手32在装置5上，而患者的肢体呈现悬挂在三维空间，仅透过装置5与设备进行连接。

图12展示患者的手32透过魔鬼毡33与装置连接。

图13呈现的是患者的脚34与装置8连接，使脚透过魔鬼毡33，可以观察到腿部35悬挂在三维空间，而设备1被放置在地面。

图14呈现的是相对齿轮36a及36b在不同轴线上同向旋转，大小一致。

图15呈现的是机械臂6的运动路径37，因为14图像所示的旋转36a及36b而产生。透过这些旋转，机械臂可在相对齿轮的横向垂直面进行弯曲路径。图像显现较浅色机械臂初始位置48a，颜色较浅，及终点位置48b，颜色较深。

图16呈现的是相对齿轮36a及36b在相同轴线上同向旋转，大小一致。

图17呈现的是机械臂6的运动路径39，因为图像16而产生的旋转38a及38b。透过这些旋转，机械臂6机械臂可在星形齿轮的轴线在垂直面进行弯曲路径的运动。图像呈现出机械臂初始位置49a，颜色较浅，及终点位置49b，颜色较深。

图18呈现相对齿轮进行大小40a及40b及方向不同的旋转。

图19呈现机械臂6的运动路径41，这是因图像18所示的旋转40a及40b而产生。透过这些旋转，机械臂6在三维空间进行曲线轨路径的动作，并且分割相对齿轮的轴。图像呈现机械臂初始位置50a，颜色较浅，及终点位置50b，颜色较深。设备在透视图出示。

图20显示机械臂6的路径37动作及以虚拟及/或增强现实的软体的该路径动作42。图像呈现机械臂初始位置48a，颜色较浅，及终点位置48b，颜色较深。也显示以软体所播放的虚拟手46，这可以连接虚拟影像及患者的手。虚拟及/或增强现实软体在屏幕的颜色会维持，让情境及环境更加清晰且与患者现实生活的样子相似。

图21显示机械臂6的动作路径39及显示在虚拟及/或增强现实软体的该动作43。图像呈现机械臂初始位置49a，颜色较浅，及终点位置49b，颜色较深。软体透过屏幕播放虚拟手46，致使患者可以与虚拟影像做连结。虚拟及/或增强现实软体在屏幕的颜色会维持，让情境及环境更加清晰且与患者现实生活的样子相似。

图22显示机械臂6的路径44动作及该路径动作41在以虚拟及/或增强现实的软体。图像呈现机械臂初始位置49a，颜色较浅，及终点位置49b，颜色较深。透过屏幕播放虚拟手46，致使患者可以与虚拟影像做连结。虚拟及/或增强现实软体在屏幕的颜色会维持，让情境及环境更加清晰且与患者现实生活的样子相似。这个图像22显示设备的正面图，以透视视图执行与图像19相同的动作。

图23呈现，在临床试验，慢性病患者使用发明设备前，可达到5个运动路径。

图24呈现，在临床试验，慢性病患者使用设备并进行18次疗程以后，可达到5个运动路径。

具体实施方式

目的是提供更多备的信息，我们下列将透过图像进行介绍。如图1至24所示，

恢复上肢及下肢运动的设备1可提供给给神经***、肌肉骨骼、肌肉、风湿性、运动及/或认识能力损伤或疾病的患者；受过意外及身体创伤的患者；术后恢复患者；需要纠正及重新学习动作的患者；需要进行预防性锻炼来避免上述疾病的患者，及追求体能调理及锻炼的群体。

设备1在三维空间内进行运动及动作；让肢体悬挂在空间，受到重力的影响；而动作为弯曲路径。

如此，所有动作及运动非常的多元及完整，与日常生活中的动作AVD非常的相似，提高对肌肉的刺激，运动到许多的肌肉群及肢体的关节而更加刺激大脑，致使召集许多神经回路来进行运动，患者的恢复更加快速、完善及完整。

设备1也可在进行评估的时候使用，在患者的检测及恢复监测，因为可以测量力量、空间路径、速度、精准度及其他附属，而让检测取得更精准的数据，制定一个更快速及完善的恢复计划。

对于体能调节及锻炼的案例，设备可使其取得更加快速及完善的发展，在一个含游戏、声音及颜色的虚拟环境内。

设备非常的小、轻巧、容易携带及不需要特别的装置使其固定。他可以透过手提箱9携带，致使在患者住宅、复健中心、物理治疗所、医疗诊所、医院及健身房使用。

使用时，仅仅将其放置在桌子上，如果是针对上肢的运动，而下肢的运动则是放置在地面；安置患者，使其站立或坐在设备前面，及透过系带或魔鬼毡33让手32或脚34与装置5,7或8连结。

对于上肢恢复的案例，装置的形状最好为圆形5或按照患者的手或手指设计的人体工学形状7，但是装置也可以为手柄形状、操纵杠或其他形状使其手持。

针对下肢恢复的案例，装置的形状最好为圆形、椭圆形、版形、脚踏形8或其他使脚可以放置的形状。

关于材料，装置5，7或8最好以硅胶制造，但是也可采用塑料、聚合物、弹性体、发泡体、木头、金属及其他材料，表面、纹理及浮雕可有或无涂层，让与患者末端的连接较简易或刺激触感及敏感度。

必须特别强调患者的肢体与设备的唯一连接点是装置，让其悬挂在空间，无任何支撑及基底，受重力影响且可以自由的在三维空间运动，这些动作与日常生活的动作AVD非常的相似，致使可取得更快的速度及效率。

装置5，7或8可以固定在机械臂6或在内部可以具备一个万向节、一个齿轮***或一个球接头10，让机械臂6可以活动，而最好可以采用齿轮***、万向节或球接头，让装置可以使机械臂执行旋转的动作，而患者的肢体可以进行更多的动作。

装置可以内含感应器45，让患者可以按压而在虚拟及/或增强现实的软体透过屏幕取得视觉、声音或其他效果，加上配合运动可刺激大脑认知。

在图像5呈现的机械臂6，最好是由一个大杆11组成，长度在1cm至100cm之间，及一个小杆12，长度在5cm至50cm之间。

两个杆可以为直的或是呈现任何弯度，而之间的结合可以成立任何角度。

机械臂也可以只含小杆，可以为直的或是呈现任何弯度，长度在5cm至50cm之间。

机械臂6为扎实的且以金属、塑料、木材、聚合物或其他材料，表面、纹理及浮雕可有或无涂层。而其核心可用上述材料制造而表面、纹理及浮雕也可以上述材料涂层。最优先的装置，机械臂的核心为金属13而涂层为塑料14。

在一个末端，机械臂6与患者的脚或手的装置连接，而另外一端，可连接齿轮***，透过卫星布局，而与齿轮***的连接是透过螺丝22、销、胶布、胶水或其他固定材料。

齿轮***含两个相对齿轮15，一个星形齿轮17及一个连接元件16，这个定处在齿轮之间。

齿轮为圆锥形或半圆形，齿可为直的或螺旋形，可或无具备预防间隙或反弹的机制。

连接元件16可为多边或圆形基底的棱柱形状，圆形或多角形。这个与透过固定销21与星形齿轮17连接，并且和相对齿轮15接触，与三个齿轮维持连结。

星形齿轮17与机械臂6连接，并且与相对齿轮呈现垂直。

每个相对齿轮通过半轴及/或管套15与发动机17进行连接，在相对齿轮15及发动机19之间可或无存在减速箱20。

齿轮之间的配合运作给机械臂和患者肢体在三维空间里衍生广泛的路径，让其执行许多的动作及恢复动作及体能训练及调理。

目的是呈现齿轮的运作及他在机械臂和患者肢体的路径的成果，发明者出示下列例子。

当两个相对齿轮15在同一个轴线周围进行相同的旋转及大小相同36a及36b，而星形齿轮17及连接元件16在相对齿轮进行横向垂直平面的弯曲路径，并且使机械臂和患者肢体在同一个垂直面进行弯曲路径37，让机械臂从姿势48a移动到姿势48b，这个可以在图像14及15观察到。

当两个相对齿轮15在同一个轴线周围进行不同方向的旋转，但是大小相同38a及38b，而星形齿轮17在中轴线旋转，连接元件呈现停摆，而机械臂和患者的肢体在星形齿轮的轴线上进行垂直弯曲路径的动作39，让机械臂从初始姿势49a移动到最终姿势49b，这个可以在图像16及17观察到。

如果相对齿轮的旋转的大小不同而方向也不同40a及40b，连接元件16及星形齿轮17呈现从斜向平面到横向平面并且分割相对齿轮的轴，让机械臂和患者的肢体在三维空间41进行倾斜弯曲路径。图像18及19呈现这个情况，图像19呈现的是设备的透视图及机械臂在倾斜弯曲路径的初始姿势50a和终点姿势50b。

发动机19的力矩在0,05Nm及50Nm之间，具备定位感应器，可传输信息至管理***。

他们可以与相对齿轮对齐或呈现垂直，而这个部分，发动机与齿轮的传输是透过一个“L”形的减速机。

每个发动机19，最好连接一个驱动器25，这是一个将逻辑信号更改成电子信号的转换器，而且两个驱动器之间有一个连接，致使进行信息同步。所以，可以只存在一个驱动器，供应两个发动机。

驱动器从管理***24接收逻辑信号，并将其转换成电子信号后，发送至发动机19，致使造成齿轮的旋转及力矩。

管理***24接收虚拟及/或增强现实软体23的信息27，并且在现实中管理这些软件23、驱动器25及发动机19的传输，如此，控制着患者的肢体和机械臂6的齿轮15及17动作。

虚拟及/或增强现实软体的内部存储动作的信息和资料，这些将会套用在恢复运动及体能锻炼及调理的动作上，将这些信息27传输至管理***24，可计算患者将执行的路径，无论是力量及动作的速度，也将逻辑信号传输至驱动器25，信号转换成电子信号将衍生发动机19的运作，而产生齿轮的旋转及力矩。

如此，会产生齿轮、机械臂及患者肢体的运动，在某一个路径，以某种力量及速度。

管理***24也可以接收患者运动信息的反馈28，并且与从虚拟及/或增强现实软体接收的信息做比较，重新计算路径并且发送信号至发动机，使其进行旋转及力矩，由此修改患者动作的路径、力量及速度。

与患者的视觉互动，虚拟及/或增强现实软体23在一个电脑屏幕29，在一个电视屏幕，一个投影机或其他器材进行播放，含图像、颜色及声音的游戏、情境及环境来模仿日常生活，向患者呈现一个完善、清晰及激励的图形界面。

为了让患者在游戏及虚拟情境内更加的投入及增加认知刺激，可以采用虚拟及/或增强现实的眼镜。但是，虚拟及/或增强现实的软体通常不采用眼镜。

为了显示恢复下肢及上肢运动设备元件之间的互动，将介绍一些实例，但并无限制本设备的意图。

如果是上肢恢复动作42的话，必须在一个三维空间内以弯曲路径，将一个物件从桌子上举起，然后将其放入柜子，可以在图像20可以观察到，虚拟及/或增强现实的软体及管理***的动作信息42，可计算动作的路径、力量及速度。这些信息或逻辑信号会发送到驱动器，并且转换成电子信号，然后再传输至发动机，由此向相对齿轮传输旋转及力矩，让连接元件和星形齿轮运转，而促使机械臂的动作37，并让患者的肢体运动。向患者肢体传输的动作将显示在屏幕上，而患者可以视化虚拟手46，这将刺激大脑认知。

虚拟路径42的动作以平版路径37在三维空间进行。这是可行的，因为相对齿轮在同个轴线上同方向旋转且大小相同36a及36b。如此，连接元件、星形齿轮、机械臂及患者肢体可以在垂直平面的在相对齿轮进行弯曲路径。

如果患者的力量与预计动作或路径相反，管理***将接收这个反馈，并且重新计算动作路径、力量及/或速度，将这些信息以逻辑信号发送至驱动器，而这个将会将逻辑信号转换成电子信号再传输旋转及力矩至齿轮，目的就是为了纠正患者动作的路径、力量及速度。同时，管理***将传送逻辑信号至虚拟及/或增强现实的软体，让其在屏幕上播放患者上肢或下肢末端的路径纠正画面。

如果患者的预想动作是在某个环境以水平面向举起一个物件，信息传输的顺序是一样的，但是，相对齿轮在同个轴线以相反的方向旋转且大小是一样的。由此，星形齿轮则在中轴线运转，连接元件则静止，机械臂及患者肢体则与星形齿轮呈现垂直并且进行弯曲路径的运动。由此，患者可在虚拟及/或增强现实的软体43及虚拟手46及设备进行弯曲路径，这会将机械臂从姿势49a变成姿势49b。

另一个情况，按照图22所示，如果是一个将水果从桌上的水果盘取起，再将水果放在位于右侧的水果篮内的动作，虚拟及/或增强现实的软体将会把信息传输至管理***，并且计算路径、力量及速度，并且将这些发送至驱动器，这个则将一切信息传输至发动机，致使产生旋转及力矩。由此，相对齿轮将在同个轴线上以不同方向旋转且大小也不同，让连接元件、星形齿轮、机械臂及患者肢体在三维空间内进行斜向路径并且与相对齿轮的中轴线呈现水平方向。患者可以在屏幕上观看动作44，并且以虚拟手46及机械臂进行路径41，从姿势50a转换成姿势50b。除了行使恢复运动以外，设备可以用来进行锻炼及体能调节及管理。这个情况的话，设备则处于主动-辅助模式，对将行使的动作添加更多的阻力，并且施加更强的力量，让体能调节更完善及快速。

本设备在开发期间，发明人进行了许多的临床测试并且取得良好的成果，让恢复运动更加完善，患者对其的反应极好并且可激发治疗。

在其中一项临床测试，对8位脑血管病变患者的动作力量、路径、速度及精准进行评估，并且分别记录每位的原始状态及订制恢复计划。他们皆为慢性常规运动神经受损患者。

而后，对每位进行了18次疗程，每次一小时，每位患者在每个疗程针对受损肢体执行了690到900个动作。这些为肩膀弯曲、伸展、内收及外放的动作；关节的弯曲及伸展动作；手腕弯曲、伸展、内收及外放的动作；同侧动作及对侧动作。

在进行18次恢复疗程后，再次对每位患者进行评估，确定肢体运动及性能有改善，尤其是肩膀、关节及手腕；也改善了肩膀的内外弯、内收外展、伸展及弯曲；路径的精准度改善并且优化动作的力量及速度。

必须强调，如果这些动作是与物理治疗师一起进行，并且在没有设备的情况之下，患者在每个疗程仅可执行80至100个动作，这会使恢复变的慢且不完善。

另一个测试在一位慢性患者上执行，对于行使抗重力的垂直运动感到困难。

透过设备进行患者的初始及结束状态，并且将其套用在每位患者，致使进行运动。

为了执行动作，虚拟及/或增强现实的软体呈现了从桌子上取一个物件，再将其放入柜子里的情境，并且还有其他4个物件，以此重复这个动作。如此，每个患者可在三维空间进行5次不同路径的动作。

在采用设备及执行动作之前，患者无法进行横向动作，比如这个将物件放置入柜子的动作，在进行18次疗程之后，这些慢性病患可以从桌子上取物件再放入柜子内。

为了使这个例子更加的清晰，图23呈现了投影，在一个二维平面，在使用设备前每5个路径进行三维动作，及图24呈现一样的投影，但是使用设备后进行5个路径。

观察图像23及24，凸显患者可以进行更大幅度的动作及伸展，透过本专利设备进行恢复疗程后。

设备可以解决目前科技所呈现的问题，并且对此领域提供更多的知识，以一种创新及原始的方式执行复健动作及运动，促使下肢及上肢的运动恢复，包括追求体能调节及锻炼的群体。

在三维空间进行运动及动作，肢体因为重力而悬挂，而弯曲路径非常有益处，因为动作更加的多元及多变，致使与一个正常人在日常生活上的动作AVD非常的相似，而且可激发更强的肌力，可以运动到许多不同的肌肉群及关节，产生患者激发大脑认知，致使恢复更加快速及完善。

另一个好处是设备采用虚拟及/或增强现实的软体，使呈现完善且清晰的图形界面，这包括含图像、颜色及声音的游戏、情境及环境，动作是在虚拟游戏、情境及环境之下进行，与现实生活非常的相近。由此，患者会更有动力的执行动作，因为可以了解动作的实用性，对复健或锻炼产生信心，这让患者运动神经及认知皆受到启发。

另一个优势，设备非常的小巧、可携带、轻巧及方便运输，使用时不需要特别的装置，因为患者可以将设备带到家里，依照需求使用，这会使恢复更加的快速。如果是针对追求体能锻炼及调节的群体，好处就是可以将设备带到任何地方，并且可以每天无数使用。

设备可以针对每位患者进行运动设置，这也是其中一个优势，因为患者可以与设备互动并且依照设置进行运动。如此，物理治疗师可以监督每个动作，同时可以关照其他的患者。

还有一个优势，齿轮***的设置非常的简单、清楚及含功能性，致使在三维空间进行动作及运动只需要配合两个发动机，这让设备显得小型、轻巧及好携带，况且生产的成本也较低。

如此，设备可以协助患者进行复健，也帮助那些需要完善及快速调节及锻炼体能的群体。

Claims (32)

1.一种用于患者上肢及下肢的运动康复的设备(1)，其允许在三维空间中以曲线路径执行运动和锻炼，其中所述设备包括：

装置(5、7、8)，配置成连接至患者肢体的远端，使得受重力影响的患者肢体保持悬浮在三维空间中；

机械臂(6)，连接至所述装置；

齿轮***，包括第一相对齿轮(15)、第二相对齿轮、星形齿轮(17)和连接元件(16)，其中所述齿轮***通过所述星形齿轮连接至所述机械臂；

第一发动机(19)，连接至所述第一相对齿轮，以及第二发动机，连接至所述第二相对齿轮；

可选地两个齿轮减速箱(20)，每个用于将相对齿轮与各自的发动机连接；

用于所述发动机的至少一个驱动器(25)；

虚拟和/或增强现实软体；

管理和控制***(24)，配置成从所述虚拟和/或增强现实软体接收信息并且控制所述机械臂；以及

电视屏幕、电脑屏幕(29)、放映机或配置成向所述患者显示虚拟和/或增强现实软体的任何其他适合媒介。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述装置具有圆形(5)形状、用于患者手指或手的人体工学形状(7)、把手形状、操纵杆形状或允许患者抓握所述装置的任何其他适合形状。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述装置具有圆形形状或用于患者手指或手的人体工学形状。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述装置包括感应器，其允许患者推动或按压所述装置以在所述虚拟和/或增强现实软体上获得视觉、听觉或其他类型的效果。

5.根据权利要求1所述设备，其中所述装置为圆形、椭圆形、平板形、踏板形或允许患者双脚定位的任何其他形状。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述装置包括手套、袜子或包括钩形和环形紧固件的带子和皮带，所述手套、袜子或带子和皮带被配置为连接到患者肢体的远端。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述装置由硅胶、塑料、聚合物、弹性体、发泡体、木材或金属制成，并且可选地将表面覆盖物、纹理或浮雕应用于所述装置。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述装置由硅胶制成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述装置固定至所述机械臂，使得所述装置和所述机械臂之间的相对运动被抑制，或者所述装置通过轴承***、万向节或球形关节连接至所述机械臂。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述装置通过轴承***、万向节或球形关节连接至所述机械臂。

11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述机械臂包括长度在1cm至100cm之间的大杆，以及连接至所述大杆的小杆，所述小杆的长度在5cm至50cm之间。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述大杆和所述小杆是直的或弯曲的，并且在所述大杆和所述小杆之间形成角度。

13.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中所述机械臂包括长度在5cm至100cm之间的单个杆，所述单个杆是直的或弯曲的。

14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述机械臂由金属、塑料、木材或聚合物制成，并且可选地将表面覆盖物、浮雕或纹理应用于所述机械臂。

15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述机械臂具有核心，所述核心由金属、塑料、木材、聚合物或其他适合的材质制成，并且其中所述机械臂具有由金属、塑料、木材、聚合物或其他适合的材质制成的应用于所述核心的表面覆盖物、浮雕或纹理。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述核心由金属制成，并且其中所述机械臂具有应用于所述核心的表面覆盖物，所述表面覆盖物由塑料制成。

17.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述机械臂通过螺丝、销、粘合剂、胶水或任何其他合适的紧固件连接到星形齿轮。

18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中每个相对齿轮通过半轴和/或衬套连接到各自的发动机。

19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述星形齿轮通过锁定销连接至所述连接元件，并且其中所述星形齿轮垂直于所述第一和第二相对齿轮。

20.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述星形齿轮、所述第一相对齿轮和所述第二相对齿轮为圆锥形或半球形，并包括直齿或斜齿，所述设备可选地包括防止所述星形齿轮、所述第一相对齿轮和所述第二相对齿轮的间隙或侧隙的机构。

21.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述连接元件是球体、多面体或具有多边形或圆形底座的棱柱体。

22.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括在第一相对齿轮和第一发动机之间的齿轮减速箱，以及在第二相对齿轮和第二发动机之间的齿轮减速箱。

23.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第一发动机和所述第二发动机提供0.05Nm至50Nm之间的力矩，并且其中所述第一和第二发动机包括位置感应器。

24.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第一发动机和所述第二发动机分别与所述第一相对齿轮和所述第二相对齿轮对准，或者其中所述第一发动机和所述第二发动机分别定位成垂直于所述第一相对齿轮和所述第二相对齿轮。

25.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中至少一个驱动器接收来自管理和控制***的逻辑信号，将逻辑信号转换为电信号，并将电信号传输至所述第一和第二发动机。

26.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述虚拟和/或增强现实软体具有友好、激励和娱乐的图形用户界面，并且包括模拟患者的日常生活情况的游戏、场景、环境、数字、颜色和声音中的一个或多个，并且其中所述虚拟和/或增强现实软体通过电视屏幕、电脑屏幕、放映机或其他适合的媒介显示患者的运动并纠正患者的运动，并被配置为由一个或多个病人同时使用。

27.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述虚拟和/或增强现实软体具有数据库，所述数据库被配置为存储基于患者的运动和练习的信息和数据。

28.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述管理和控制***计算与患者进行的每次运动相关联的路线、力量及加速度；

其中所述管理和控制***基于计算出的路线、力量及加速度向至少一个驱动器发送逻辑信号；

其中所述管理和控制***根据从至少一个驱动器接收到的反馈重新计算与患者进行的运动相关联的路线、力量及加速度；

其中所述管理和控制***基于重新计算的路线、力量及加速度向至少一个驱动器重新发送逻辑信号，以允许对患者运动的纠正；以及

其中所述管理和控制***向所述虚拟和/或增强现实软体发送逻辑信号，所述虚拟和/或增强现实软体通过电视屏幕、电脑屏幕、放映机或其他适合的媒介显示患者运动的纠正。

29.根据前述权利要求中任一项所述的设备，进一步包括至少一个视频端口，所述至少一个视频端口优选地包括USB端口、VGA端口、HDMI端口和/或DVI端口。

30.根据前述权利要求中任一项所述的设备，进一步包括触摸屏装置或其他外部装置，其被配置成允许访问所述设备的控制接口功能，其中优选地，所述触摸屏装置为平板电脑，或其他外部装置为键盘和/或鼠标。

31.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述设备是便携式的，并且不需要专为所述设备的使用而改装的装置。

32.根据前述权利要求中任一项所述的设备，进一步包括虚拟和/或增强现实眼镜，用于虚拟和/或增强现实软体的可视化。

Images