CN113967151A - 一种基于重力补偿的主动上肢康复装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于重力补偿的主动上肢康复装置,包括机架组件、大臂支撑组件、弹簧组件、皮带耦合连杆机构、气动人工肌肉驱动组件、小臂支撑板,各组件组合安装在一起,以气动人工肌肉作为驱动器来平衡人体上肢重力和运动机构中各个零部件的重力。本发明能实现患者上肢在无重力环境下进行康复训练的目的,体积小,质量轻,康复效果好,适应性好,柔顺性好。

Description

一种基于重力补偿的主动上肢康复装置
技术领域
本发明涉及一种医疗康复训练器械,具体涉及一种基于重力补偿的主动上肢康复装置。
背景技术
肌肉训练是上肢偏瘫患者康复计划的重要组成部分。为了对受伤程度不同的患者实施适当的训练计划,需要通过手动肌肉测试(MMT)预先评估患者的肌肉强度,从中将其分为六个不同级别。级别0定义为无可测知的肌力收缩;级别1(微缩)定义为有轻微收缩,但不能引起关节全范围运动;级别2(差)在减重状态下能作关节全范围运动;级别3(尚可)能抗重力作关节全范围运动,但不能抗阻力;级别4(良好)能抗重力,抗一定阻力运动;级别(正常)能抗重力,抗充分阻力运动。
在这六个级别中,MMT级别2患者康复需要使用非常独特的训练方法,该方法要求患者提供“辅助力量”。通常由理疗师提供的这种辅助力可在肌肉训练过程中承受患者上肢的重量。具体而言,为了以最有效的方式训练MMT级别2的患者,该辅助力应始终完美地补偿重力作用,即在任何姿势下其辅助力都不应超过或小于上肢的重量,这种方式辅助程度较小,主要以患者自身运动为主的康复训练为主动运动。
目前,市场上大多数的上肢康复装置都是以被动训练为主,这种上肢康复装置会为患者提供较大的辅助力,患者无需自身上肢用力即可在康复装置的辅助下进行康复训练,但是这种被动型上肢康复装置仅对MMT级别2以下的患者有较好的康复训练效果,但对于MMT级别2的患者,这种被动型上肢康复装置作用微乎其微。
发明内容
本发明针对所述现有技术中的不足,提供一种基于重力补偿的主动上肢康复装置,以气动人工肌肉作为驱动器来平衡人体上肢重力和运动机构中各个零部件的重力,以实现患者上肢在无重力环境下进行康复训练的目的,体积小,质量轻,康复效果好,适应性好,柔顺性好。
一种基于重力补偿的主动上肢康复装置,包括机架组件、大臂支撑组件、弹簧组件、皮带耦合连杆机构、气动人工肌肉驱动组件、小臂支撑板;
机架组件包括圆形底盘、第一角码、第二角码、导轨、第一安装板、第二安装板、纵向滑块、横向滑块,所述圆形底盘通过第一角码及第二角码与导轨固连,其中第一角码有两块安装于导轨底部两对称面上,第二角码有两块安装于导轨底部另外两对称面上,所述第一安装板、第二安装板、纵向滑块都安装在导轨上,可纵向滑动,通过T形螺丝锁紧,所述横向滑块安装在纵向滑快上,横向滑块可在纵向滑块上横向滑动,通过螺栓锁紧;
大臂支撑组件包括第一轴、大臂支撑挡板,所述第一轴的一端与横向滑块固连,另一端与大臂支撑挡板的上端固连;
弹簧组件包括拉伸弹簧、连接器、第一钢丝绳,所述拉伸弹簧的一端与横向滑块固连,另一端与连接器相连,所述连接器的另一端与第一钢丝绳相连,所述钢丝绳的另一端缠绕于第一带轮上;
皮带耦合连杆机构组件包括第二轴、第一带轮、第一杆、第二带轮、第二杆、第三带轮、第一传动带、第四带轮、第三杆、第三轴、紧固螺母,所述第二轴的一端与第一安装板通过螺纹连接固连,另一端通过销连接与大臂支撑挡板的下端固连,所述第二带轮与第二轴铰接并与拉伸弹簧通过第一钢丝绳相连,所述第一杆的一端与第二轴铰接并与第一带轮通过螺纹连接固连,所述第二带轮与第二轴通过键连接固连,所述第二杆与第二轴铰接并与第三带轮通过螺纹连接固连,所述第三带轮与第二轴铰接,所述第三轴与第一杆、第二杆的另一端铰接,所述第四带轮与第三轴固连,第四带轮通过第一传动带与第二带轮相连,所述第三杆与第三轴固连,所述锁紧螺母与第三轴通过螺纹连接固连;
气动人工肌肉组件包括气动人工肌肉、双耳环、第二钢丝绳,所述气动人工肌肉一端与第二安装板通过螺纹连接固连,所述双耳环与气动人工肌肉通过螺纹连接固连,所述第二钢丝绳一端与双耳环固连,另一端缠绕于第三带轮上;
小臂支撑板与皮带耦合连杆机构组件中的第三杆铰接。
进一步的,所述纵向滑块在所述第一安装板和第二安装板上方滑动。
进一步的,所述大臂支撑挡板下方设有圆弧形挡片。
进一步的,所述锁紧螺母与第一杆有一定间隙。
进一步的,所述小臂支撑板上设有孔状结构。
本发明的有益效果:
1、本发明以气动人工肌肉作为驱动器,通过气动人工肌肉平衡患者上肢重量、运动机构的零部件重量、弹簧弹力以实现患者患肢在无重力的环境下进行康复训练,能够很好的适用于MMT级别2的患者做主动康复训练且康复训练效果好。
2、本发明采用的气动人工肌肉是一类新型的气动执行器,它的结构比较简单,质量轻,互换性好,对人体无害等优点,是一种可以广泛的应用在康复装置中的气动执行器,相比于电机,气压缸,液压缸等驱动器,气动人工肌肉有良好的柔顺性。气动人工肌肉是柔性执行器件,可以减小上肢康复装置柔顺控制中人与康复装置之间的冲击。
3、本发明具有调节功能,通过调节气动人工肌肉的气压,使得气动人工肌肉输出不同的力,以平衡不同的患者的上肢的重量,具有一定的普适性。
4、本发明采用皮带耦合连杆机构作为康复执行机构,为单自由度机构,在康复过程中只需气动人工肌肉作为单一动力输入元件,实现整个机构的规律运动。
5、本发明中纵向滑块、第一安装板及第二安装板都可在导轨上滑动以调节康复装置的位置,调整好位置后可通过螺栓锁紧以适应不同身高体型的患者并保证装置稳定性。
6、本发明可以提高康复训练的效率,一个理疗师可以实时监控若干台康复装置的运动,同时给几个患者进行康复训练,减少理疗师的人数,降低人力成本。
7、本发明可以长时间重复繁杂的训练动作,减轻理疗师的繁重体力劳动。
8、本发明在康复治疗的后期以及患者回家后,可以在理疗师指导下部分或全部脱离理疗师本人,而享受到理疗师的相近治疗效果。
附图说明
图1是本发明整体结构的示意图;
图2是从图1的后视图;
图3是图1的俯视图;
图4是本发明皮带耦合连杆机构组件的结构示意图;
图5是本发明的使用状态示意图;
图中标记:1-机架组件、2-弹簧组件、3-气动人工肌肉驱动组件、4-大臂支撑组件、5-皮带耦合连杆机构、6-小臂支撑板、101-圆形底盘、102-第一角码、103-第二角码、104-导轨、105-第一安装板、106-第二安装板、107-纵向滑块、108-横向滑块、201-拉伸弹簧、202-连接器、203-第一钢丝绳、301-气动人工肌肉、302-双耳环、303-第二钢丝绳、401-第一轴、402-大臂支撑挡板、501-第二轴、502-第一带轮、503-第一杆、504-第二带轮、505-第二杆、506-第三带轮、507-第一传动带、508-第四带轮、509-第三杆、5010-第三轴、5011-紧固螺母。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
如图1到图4所示,一种基于重力补偿的主动上肢康复装置,包括机架组件1、大臂支撑组件4、弹簧组件2、皮带耦合连杆机构5、气动人工肌肉驱动组件3、小臂支撑板6;
机架组件1包括圆形底盘101、第一角码102、第二角码103、导轨104、第一安装板105、第二安装板106、纵向滑块107、横向滑块108,所述圆形底盘101通过第一角码102及第二角码103与导轨104固连,其中第一角码102有两块安装于导轨104底部两对称面上,第二角码103有两块安装于导轨104底部另外两对称面上,所述第一安装板105、第二安装板106、纵向滑块107都安装在导轨104上,可纵向滑动来调节康复装置的位置,通过T形螺丝锁紧以适应不同身高体型的患者并保证装置稳定性,所述横向滑块108安装在纵向滑快107上,横向滑块108可在纵向滑块107上横向滑动,通过螺栓锁紧;
大臂支撑组件4包括第一轴401、大臂支撑挡板402,所述第一轴401的一端与横向滑块108固连,另一端与大臂支撑挡板402的上端固连,用于支撑稳定大臂;
弹簧组件2包括拉伸弹簧201、连接器202、第一钢丝绳203,所述拉伸弹簧201的一端与横向滑块108固连,另一端与连接器202相连,所述连接器202的另一端与第一钢丝绳203相连,所述钢丝绳203的另一端缠绕于第一带轮502上;
皮带耦合连杆机构组件5包括第二轴501、第一带轮502、第一杆503、第二带轮504、第二杆505、第三带轮506、第一传动带507、第四带轮508、第三杆509、第三轴5010、紧固螺母5011,所述第二轴501的一端与第一安装板105通过螺纹连接固连,另一端通过销连接与大臂支撑挡板402的下端固连,所述第二带轮502与第二轴501铰接并与拉伸弹簧201通过第一钢丝绳203相连,所述第一杆503的一端与第二轴501铰接并与第一带轮502通过螺纹连接固连,所述第二带轮504与第二轴501通过键连接固连,所述第二杆505与第二轴501铰接并与第三带轮506通过螺纹连接固连,所述第三带轮506与第二轴501铰接,所述第三轴5010与第一杆503、第二杆505的另一端铰接,所述第四带轮508与第三轴5010固连,第四带轮508通过第一传动带507与第二带轮504相连,所述第三杆509与第三轴5010固连,所述锁紧螺母5011与第三轴5010通过螺纹连接固连。所述皮带耦合连杆机构组件5用于传递气动人工肌肉的输出动力。
气动人工肌肉组件3包括气动人工肌肉301、双耳环302、第二钢丝绳303,所述气动人工肌肉301一端与第二安装板106通过螺纹连接固连,所述双耳环302与气动人工肌肉301通过螺纹连接固连,所述第二钢丝绳303一端与双耳环302固连,另一端缠绕于第三带轮506上;
小臂支撑板6与皮带耦合连杆机构组件5中的第三杆509铰接,与患者手臂配合时,小臂支撑板509可随患者小臂姿态调整角度,有良好的人机交互性。在整个康复训练中,由小臂支撑板带动患者整个上肢运动,实现康复训练。
进一步的,所述纵向滑块107在所述第一安装板105和第二安装板106上方滑动。
进一步的,所述大臂支撑挡板402下方设有圆弧形挡片,用于患者放置肘关节,具有良好的人体工学设计。
进一步的,所述锁紧螺母5011与第一杆503有一定间隙。
进一步的,所述小臂支撑板6上设有孔状结构,可缠绕绷带以固定患者小臂,防止患者小臂脱落以造成二次伤害。
为了能更好的理解本发明的工作原理,将本发明的工作过程叙述一遍:
上肢康复训练准备过程:根据患者的体型数据调整第一安装板105、第二安装板106、纵向滑块107、横向滑块108的位置,所述零部件位置调整好后通过相应的锁紧螺栓锁紧。所述操作能够保证本发明的康复装置位置高度很好的适应患者,又能保证本发明结构上的稳定性。调整完毕后,理疗师将患者大臂缓慢抬起并放置于大臂支撑挡板402上,再将小臂缓慢抬起放置于小臂支撑板6上,理疗师通过绷带将患者腕关节部位固定于小臂支撑板6上,此时整个皮带耦合连杆机构5处于最低位置。
上肢康复训练康复过程:气动人工肌肉301中充入气体,此时气动人工肌肉301收缩并通过钢丝绳303拉动第三带轮506逆时针转动,从而驱动整个皮带耦合连杆机构组件5做抬升运动,从而带动患者整个上肢做抬升运动。在康复过程中,本发明通过气动人工肌肉301的输出力来平衡患者上肢重量、运动机构零部件重量及拉伸弹簧的弹力对第二轴501产生的负载转矩。通过预先计算可知,人体上肢重量及运动机构中各个构件重量对第二轴501产生的转矩是连续变化的,因此本发明通过控制输入气动人工肌肉301中的气压从而控制气动人工肌肉301输出对应的连续变化的力以实现在整个康复过程中的重力平衡。整个过程患者在康复装置的辅助下自身肌肉发力,所以为主动训练过程。
上肢康复训练返程过程:返程过程无需实现重力平衡,此时气动人工肌肉301放气处于松弛状态,拉伸弹簧开始收缩,带动第一带轮502同步转动,从而驱动整个皮带耦合连杆机构组件5做下降运动,从而带动患者整个上肢做下降运动,到初始位置时停下。
进一步的,皮带耦合连杆机构组件5运动原理:康复过程中,驱动第三带轮506逆时针转动,第三带轮506带动第二杆505同步转动,由于第二带轮504与第四带轮508通过第一传动带507耦合,又由于第二带轮504与第二轴501固连,所以此时第四带轮508逆时针转动,第四带轮508带动第三轴5010同步转动,第三轴5010带动第三杆509同步转动,整个皮带耦合连杆机构5缓慢抬起并使拉伸弹簧201拉伸,此时小臂支撑板6带动患者腕关节运动,从而带动患者的整个上肢运动。同理,返程过程中,气动人工肌肉301放气,气动人工肌肉301处于松弛状态,在拉伸弹簧201的带动下,逆向驱动第一带轮502,整个皮带耦合连杆机构5缓慢下降,完成返程运动。
当然,本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于重力补偿的主动上肢康复装置,其特征在于:包括机架组件(1)、大臂支撑组件(4)、弹簧组件(2)、皮带耦合连杆机构(5)、气动人工肌肉驱动组件(3)、小臂支撑板(6);
机架组件(1)包括圆形底盘(101)、第一角码(102)、第二角码(103)、导轨(104)、第一安装板(105)、第二安装板(106)、纵向滑块(107)、横向滑块(108),所述圆形底盘(101)通过第一角码(102)及第二角码(103)与导轨(104)固连,其中第一角码(102)有两块安装于导轨(104)底部两对称面上,第二角码(103)有两块安装于导轨(104)底部另外两对称面上,所述第一安装板(105)、第二安装板(106)、纵向滑块(107)都安装在导轨(104)上,可纵向滑动,通过T形螺丝锁紧,所述横向滑块(108)安装在纵向滑快(107)上,横向滑块(108)可在纵向滑块(107)上横向滑动,通过螺栓锁紧;
大臂支撑组件(4)包括第一轴(401)、大臂支撑挡板(402),所述第一轴(401)的一端与横向滑块(108)固连,另一端与大臂支撑挡板(402)的上端固连;
弹簧组件(2)包括拉伸弹簧(201)、连接器(202)、第一钢丝绳(203),所述拉伸弹簧(201)的一端与横向滑块(108)固连,另一端与连接器(202)相连,所述连接器(202)的另一端与第一钢丝绳(203)相连,所述钢丝绳(203)的另一端缠绕于第一带轮(502)上;
皮带耦合连杆机构组件(5)包括第二轴(501)、第一带轮(502)、第一杆(503)、第二带轮(504)、第二杆(505)、第三带轮(506)、第一传动带(507)、第四带轮(508)、第三杆(509)、第三轴(5010)、紧固螺母(5011),所述第二轴(501)的一端与第一安装板(105)通过螺纹连接固连,另一端通过销连接与大臂支撑挡板(402)的下端固连,所述第二带轮(502)与第二轴(501)铰接并与拉伸弹簧(201)通过第一钢丝绳(203)相连,所述第一杆(503)的一端与第二轴(501)铰接并与第一带轮(502)通过螺纹连接固连,所述第二带轮(504)与第二轴(501)通过键连接固连,所述第二杆(505)与第二轴(501)铰接并与第三带轮(506)通过螺纹连接固连,所述第三带轮(506)与第二轴(501)铰接,所述第三轴(5010)与第一杆(503)、第二杆(505)的另一端铰接,所述第四带轮(508)与第三轴(5010)固连,第四带轮(508)通过第一传动带(507)与第二带轮(504)相连,所述第三杆(509)与第三轴(5010)固连,所述锁紧螺母(5011)与第三轴(5010)通过螺纹连接固连;
气动人工肌肉组件(3)包括气动人工肌肉(301)、双耳环(302)、第二钢丝绳(303),所述气动人工肌肉(301)一端与第二安装板(106)通过螺纹连接固连,所述双耳环(302)与气动人工肌肉(301)通过螺纹连接固连,所述第二钢丝绳(303)一端与双耳环(302)固连,另一端缠绕于第三带轮(506)上;
小臂支撑板(6)与皮带耦合连杆机构组件(5)中的第三杆(509)铰接。
2.根据权利要求1所述的一种基于重力补偿的主动上肢康复装置,其特征在于:所述纵向滑块(107)在所述第一安装板(105)和第二安装板(106)上方滑动。
3.根据权利要求1所述的一种基于重力补偿的主动上肢康复装置,其特征在于:所述大臂支撑挡板(402)下方设有圆弧形挡片。
4.根据权利要求1所述的一种基于重力补偿的主动上肢康复装置,其特征在于:所述锁紧螺母(5011)与第一杆(503)有一定间隙。
5.根据权利要求1所述的一种基于重力补偿的主动上肢康复装置,其特征在于:所述小臂支撑板(6)上设有孔状结构。
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