CN101584636A - 双出轴主被动上下肢康复训练机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双出轴主被动上下肢康复训练机构，包括直流电机和机架，直流电机设在机架上，在直流电机的输出轴上设有力传感器且力传感器一端与所述直流电机的输出轴连接，在力传感器另一端上连接有第二轴，在第二轴上设有上肢康复训练机械装置，在第二轴设有第一锥齿轮，在第一锥齿轮上啮合有第二锥齿轮，在与第二锥齿轮相连的第一轴上设有第二直齿轮，在第二直齿轮上啮合有第一直齿轮，在与第一直齿轮相连的第三轴上设有下肢康复训练机械臂，在直流电机的输出轴上设有第三直齿轮，在第三直齿轮啮合有第四直齿轮，在第四直齿轮设有磁流变阻尼器。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于中风、脊髓损伤和各种事故引起的肢体功能障碍患者的康复训练器械，尤其涉及一种双出轴主被动上下肢康复训练机构。
背景技术
康复医学是四大医学学科之一，随着康复医学工程的发展，患者的完全康复越来越受重视，运动康复训练是目前应用最广泛的康复医疗项目，康复医学临床研究表明，中风患者进行患侧肢体康复训练是十分重要和关键的医疗手段。对于因中风、脊髓损伤和各种事故引起的肢体功能残障的患者来说，及时进行康复训练，尤其是在病损后的前三个月内进行正确的康复训练，大体上就可以有效恢复神经肌肉的功能，大大减轻残疾的程度，提高其生活质量。目前我国肢体残疾者中的大多数属于后天残疾，而其中相当一部分人的残疾则是因为未能得到及时、正确的康复训练而造成的。因此，肢体康复训练机器人的研究将为这些患者带来福音，具有极其重要的社会意义，人人享有康复服务也因此成为我国“十一五”规划的一个重要目标。
这个领域的一个重要特点是康复训练的方法对康复训练的效果影响很大，而康复训练的方法又依赖于康复训练所采用的器械，因此，智能机器人技术在康复医疗机器人技术成为康复医学工程中极为重要的技术之一，另一方面，作为医学和工程技术结晶的康复医疗机器人技术也成为当前机器人领域研究的前沿和热点。
康复训练通常需要有四种训练模式或过程，即被动训练模式、助力训练模式、主动训练模式、阻尼训练模式。现有的康复训练装置主要是各种类型的CPM(Continuous Passive Motion，连续被动运动)机，CPM机可以实现被动模式，即机械臂带动人手关节进行往复的运动，少量的CPM机可以实现主动训练模式，但总的来说，CPM机结构过于简陋，功能单一，不能进行多种模式的康复训练，也远远不能满足康复医学临床的要求；现在有较多研究的康复训练机器人还处于探索阶段，大多数都考虑了多种康复训练模式，但结构多以工业机器人为蓝本，没有很好的考虑康复训练过程的特点。首先，病人的康复训练首先是在专业医生的指导和参与下完成的，多数情形下是从专业医生手把手的指导下开始的，而后由病人的家属或护士对病肢反复牵引运动，这一过长漫长而且劳动强度很大，其二，此过程的一个重要特点医生在指导病人训练时要靠“感觉”获知病人的“反馈”以对训练方法做出评估，因此人工方式的被动康复训练难以针对病人的训练方法作定量的、精确的评估，也不能针对病人的个体差异制定有针对性的康复训练方案；其三，工业机器人用于康复训练显得比较笨重，控制复杂，只能实现四种模式中的部分模式或功能。其四，目前的康复训练机器人包括原有的CPM机通常采用的是电机+减速器+机械臂的关节结构，通过电机在正向或反向上输出大小方向不同的力矩，实现四种康复训练模式。由于电机是一种有源器件，利用电机直接提供阻尼力，对于康复训练可能会存在一定的安全隐患。综上所述，目前的康复训练器械存在多种欠缺，有必要研究新的多功能综合康复器械来满足康复训练的要求。
发明内容
本发明针对康复训练的特点，提供一种可用于上肢和下肢康复训练的双出轴主被动康复训练机构，它可以实现多种康复训练模式，安全可靠，并且具有结构简单，成本低廉，功能齐全，适用性强的特点。
本发明采用如下技术方案：
一种双出轴主被动上下肢康复训练机构，包括直流电机和机架，直流电机设在机架上，在直流电机的输出轴上设有力传感器且力传感器一端与所述直流电机的输出轴连接，在力传感器另一端上连接有第二轴，在第二轴上设有上肢康复训练机械装置，在第二轴设有第一锥齿轮，在第一锥齿轮上啮合有第二锥齿轮，在与第二锥齿轮相连的第一轴上设有第二直齿轮，在第二直齿轮上啮合有第一直齿轮，在与第一直齿轮相连的第三轴上设有下肢康复训练机械臂，在直流电机的输出轴上设有第三直齿轮，在第三直齿轮啮合有第四直齿轮，在第四直齿轮设有磁流变阻尼器。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明采用双出轴的结构，引入捷昌医疗设备有限公司生产的JC35ES系列升降立柱，通过拆卸和组合不同的机械臂以及控制升降立柱的高度，不仅可完成上肢和下肢康复训练，而且可完成上下肢不同关节的康复训练。其中，进行肘关节康复训练时可参照图2将机械臂15和机械臂12转动安装在轴3上，肩关节训练时可参照图3将机械臂15转动安装在轴9上，而腿部关节训练则参照图4安装机械臂8。这让病情不同的患者都能得到合适且充分的训练，训练的强度以及受训练的肌肉和关节可以随着机械臂组合方式的不同而改变，使康复训练更具有针对性。这种结构易于实现且造价低廉，具有结构简单，操作方便的特点。
2、现有的康复训练机器人包括原有的CPM机通常采用的是电机+减速器+机械臂的关节结构，通过电机在正向或反向上输出大小方向不同的力矩，实现四种康复训练模式，即主动训练模式、被动训练模式、助力训练模式以及阻尼训练模式。由于电机是一种有源器件，利用电机直接提供阻尼力，相对健康人手臂来说，患者患肢更容易受到损伤，当电机工作在堵转状态提供力矩并直接作用于患肢时，存在着很大的安全隐患，比如，电机受到反作用力后迅速弹回对患肢造成二次伤害等。本发明采用磁流变阻尼器，它是一种无源力发生器，其中包含有磁流变液，磁流变液体是一种液体智能材料，可以通过控制激磁大小能产生安全可靠的阻尼力，完成康复训练的阻尼训练模式；而直流电机则完成康复训练中的主被动模式和助力模式。两种电机的组合充分保证了康复训练的安全，防止病人受到二次伤害。基于磁流变液的磁流变阻尼器可通过控制激磁电流I的大小来控制产生的阻尼力大小，当电流为0时，磁流变液处于液化状态，产生的阻尼力也为0；当电流为在0到Ih之间时，磁流变液处于阻尼状态，能产生一定大小的阻尼力。
3、采用力传感器测量阻尼力，将测量结果反馈给控制器构成闭环控制，使得力控制的准确性和稳定性增加。
综上，本双出轴主被动上下肢康复训练机构具有结构简单，控制准确，运行安全可靠，灵活多变且造价低廉等优点，能满足康复医学临床的要求。
附图说明
图1是本发明实施例的双出轴主被动上下肢康复训练机构的立体示意图。
图2是本发明用于肘关节康复训练的机构立体示意图。
图3是本发明用于肩关节康复训练的机构立体示意图。
图4是本发明用于肩关节康复训练的机构立体示意图中的K向局部示意图。
图5本发明用于腿部关节康复训练的机构立体示意图。
图6是用于腿部关节康复训练的机构立体示意图中的A向局部示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种双出轴主被动上下肢康复训练机构，包括机械臂、托盘、力传感器、直流电机、磁流变阻尼器、升降平台、直齿轮和锥齿轮以及构成。其中三个机械臂可根据需要进行安装，分别对上肢和下肢进行康复训练。磁流变阻尼器与直流电机通过一对直齿轮并联，直流电机完成康复训练中的主被动模式和助力模式，阻尼训练模式则由磁流变阻尼器产生安全可靠的阻尼力来保证患者的安全。力传感器与直流电机串联安装，用于测量患者锻炼过程中手部和机械臂之间的旋转力，升降立柱则可以根据患者的身高调节不同的高度来训练不同的部位。本双出轴主被动上下肢康复训练机构具有结构简单，控制准确，运行安全可靠，灵活多变且造价低廉等优点，能满足康复医学临床的要求。
具体实施方式如下：
一种双出轴主被动上下肢康复训练机构，包括直流电机6和机架，直流电机6设在机架上，在直流电机6的输出轴上设有力传感器3且力传感器3一端与所述直流电机6的输出轴连接，在力传感器3另一端上连接有第二轴13，在第二轴13上设有上肢康复训练机械装置，在第二轴13设有第一锥齿轮2，在第一锥齿轮2上啮合有第二锥齿轮17，在与第二锥齿轮17相连的第一轴16上设有第二直齿轮19，在第二直齿轮19上啮合有第一直齿轮10，在与第一直齿轮10相连的第三轴9上设有下肢康复训练机械臂8，在直流电机6的输出轴上设有第三直齿轮18，在第三直齿轮18啮合有第四直齿轮4，在第四直齿轮4设有磁流变阻尼器5。
所述的上肢康复训练机械装置由第一机械臂12和第二机械臂15组成，第一机械臂12的一端与第二机械臂15的一端连接，第一机械臂12的另一端与第二轴13连接，在第二机械臂15的另一端上设有把手1。
所述的在第二机械臂15上设有能与第三轴9匹配连接的连接孔20，在连接孔20上设有键槽21，第二机械臂15与第三轴9匹配连接时可进行肩关节康复训练。在机架上连接有升降立柱7。
下文结合附图以及具体实施例对本发明进行详细描述。
参照图2，图2为本发明的一个实施例，为第一种具有多种训练模式的上肢康复训练机械臂。其中，直流电机6通过第三直齿轮18和第四直齿轮4与磁流变阻尼器并联，力传感器3的一端与直流电机6的输出轴相连，另一端上连接有第二轴13，在第二轴13上设有上肢康复训练机械装置，上肢康复训练机械装置包括第一机械臂12和第二机械臂15，机械臂15的另一端上设有供患者抓握的把手1。此时整个机器人的高度可通过升降立柱7根据患者的身高和坐姿进行调节，患者可握住把手1在托盘14的平面内进行往复运动训练肘关节。
这种上肢康复训练机械臂的四种工作模式可以通过以下控制实现：
(1)被动训练模式
对于基于磁流变液的磁流变阻尼器给予0电流，使其处在液化状态，此时，直流电机输出的力矩通过力传感器3和第二轴13平稳的传到上肢康复训练机械装置上，带动患者手臂进行往复运动。
(2)助力训练模式
在被动训练模式中，通过检测患者的运动信息(如四肢神经肌肉的肌电信号)，控制电机的输出力矩的大小和方向，将电机输出力矩平稳地传递给上肢康复训练机械臂装置，机械臂15和机械臂12则施加和患者运动企图方向一致的力，帮助患者上肢进行康复训练。
(3)主动训练模数
让电机停止工作，对于基于磁流变液的磁流变阻尼器给予0电流，使磁流变阻尼器处在液化状态，此时，第二轴13可以自由转动，患者上肢可带动上肢康复训练机械装置进行无阻尼的自由往复的运动。
(4)阻尼训练模式
让电机停止工作，基于磁流变液的磁流变阻尼器给予0到Ih之间的电流，磁流变阻尼器工作在带有一定阻尼力的状态，且阻尼力可通过第三直齿轮18和第四直齿轮4的啮合传递到第二轴13上，也就是传递到上肢康复训练机械装置上，此时，患者上肢可带动上肢康复训练机械装置进行有阻尼的往复运动。通过控制外加电流I的大小，就可以准确控制阻尼力的大小。
使用时，患者手臂放置在机械臂12上，在康复师的指导下选择合适的训练模式进行肘关节康复训练。
参照图3，图3为本发明的一个实施例，为第二种具有多种训练模式的上肢康复训练机械臂。其中，直流电机6与磁流变阻尼器5并联，后与力传感器3的一端串联，力传感器3的另一端连接有第一锥齿轮2，与第二锥齿轮17相连的第一轴16上串联有第一直齿轮10，第一直齿轮10与第二直齿轮17啮合输出的第三轴9，第三轴9通过键21与第二机械臂15匹配即连接，并在第二机械臂15上设有供患者抓握的把手1。整个机器人的高度可通过升降立柱7根据患者的身高和坐姿进行调节，患者可握住把手1可以在垂直平面内进行往复运动，以达到肩关节康复训练的效果。
这种上肢康复训练机械臂的四种工作模式可以通过以下控制实现：
(1)被动训练模式
对于基于磁流变液的磁流变阻尼器给予0电流，使其处在液化状态，此时，直流电机输出的力矩通过力传感器3和第三轴9平稳的传到上肢康复训练机械臂15上，带动患者手臂进行往复运动。
(2)助力训练模式
在被动训练模式中，通过检测患者的运动信息(如四肢神经肌肉的肌电信号)，控制电机的输出力矩的大小和方向，将电机输出力矩平稳地传递给上肢康复训练机械臂15，机械臂则施加和患者运动企图方向一致的力，帮助患者上肢进行康复训练。
(3)主动训练模数
让电机停止工作，对于基于磁流变液的磁流变阻尼器给予0电流，使磁流变阻尼器处在液化状态，此时，第三轴9可以自由转动，患者上肢可带动上肢康复训练机械臂15进行无阻尼的自由往复的运动。
(4)阻尼训练模式
让电机停止工作，基于磁流变液的磁流变阻尼器给予0到Ih之间的电流，磁流变阻尼器工作在带有一定阻尼力的状态，且阻尼力可通过第三直齿轮18和第四直齿轮4的啮合以及第一锥齿轮2和第二锥齿轮17的啮合传递到第一轴16上，第一轴16上的阻尼力可通过第一直齿轮19和第二直齿轮10的啮合也就是传递到第三轴9上，此时，患者上肢可带动上肢康复训练机械臂15进行有阻尼的往复运动。通过控制外加电流I的大小，就可以准确控制阻尼力的大小。
使用时，患者手臂握住把手1，在康复师的指导下选择合适的训练模式进行肩关节康复训练。
参照图5，图5为本发明的一个实施例，为具有多种训练模式的下肢康复训练机械臂。其中，直流电机6与磁流变阻尼器5并联，后与力传感器3的一端串联，力传感器3的另一端连接有第一锥齿轮2，与第二锥齿轮17相连的第一轴16上串联有第一直齿轮10，第一直齿轮10与第二直齿轮17啮合输出的第三轴9，第三轴9通过键21与第三机械臂8匹配连接，并在第三机械臂8的另一端上设有脚踏板。整个机器人的高度可通过升降立柱7根据患者的身高和坐姿进行调节，患者可把脚放在踏板上在垂直平面内进行往复运动，以达到下肢康复训练的效果。
这种下肢康复训练机械臂的四种工作模式可以通过以下控制实现：
(1)被动训练模式
对于基于磁流变液的磁流变阻尼器给予0电流，使其处在液化状态，此时，直流电机输出的力矩通过力传感器3和第三轴9平稳的传到下肢康复训练机械臂8上，带动患者手臂进行往复运动。
(2)助力训练模式
在被动训练模式中，通过检测患者的运动信息(如四肢神经肌肉的肌电信号)，控制电机的输出力矩的大小和方向，将电机输出力矩平稳地传递给下肢康复训练机械臂8，机械臂则施加和患者运动企图方向一致的力，帮助患者下肢进行康复训练。
(3)主动训练模数
让电机停止工作，对于基于磁流变液的磁流变阻尼器给予0电流，使磁流变阻尼器处在液化状态，此时，第三轴9可以自由转动，患者的下肢可带动机械臂进行无阻尼的自由往复的运动。
(4)阻尼训练模式
让电机停止工作，基于磁流变液的磁流变阻尼器给予0到Ih之间的电流，磁流变阻尼器工作在带有一定阻尼力的状态，且阻尼力可通过第三直齿轮18和第四直齿轮4的啮合以及第一锥齿轮2和第二锥齿轮17的啮合传递到第一轴16上，第一轴16上的阻尼力可通过第一直齿轮19和第二直齿轮10的啮合也就是传递到第三轴9上，此时，患者上肢可带动下肢康复训练机械臂8进行有阻尼的往复运动。通过控制外加电流I的大小，就可以准确控制阻尼力的大小。
使用时，患者把腿放置在下肢康复训练机械臂8上，在康复师的指导下选择合适的训练模式进行腿部关节康复训练。
Claims (4)
1、一种双出轴主被动上下肢康复训练机构，包括直流电机(6)和机架，直流电机(6)设在机架上，在直流电机(6)的输出轴上设有力传感器(3)且力传感器(3)一端与所述直流电机(6)的输出轴连接，其特征在于在力传感器(3)另一端上连接有第二轴(13)，在第二轴(13)上设有上肢康复训练机械装置，在第二轴(13)设有第一锥齿轮(2)，在第一锥齿轮(2)上啮合有第二锥齿轮(17)，在与第二锥齿轮(17)相连的第一轴(16)上设有第二直齿轮(19)，在第二直齿轮(19)上啮合有第一直齿轮(10)，在与第一直齿轮(10)相连的第三轴(9)上设有下肢康复训练机械臂(8)，在直流电机(6)的输出轴上设有第三直齿轮(18)，在第三直齿轮(18)啮合有第四直齿轮(4)，在第四直齿轮(4)设有磁流变阻尼器(5)。
2、根据权利要求1所述的双出轴主被动上下肢康复训练机构，其特征在于上肢康复训练机械装置由第一机械臂(12)和第二机械臂(15)组成，第一机械臂(12)的一端与第二机械臂(15)的一端连接，第一机械臂(12)的另一端与第二轴(13)连接，在第二机械臂(15)的另一端上设有把手(1)。
3、根据权利要求2所述的双出轴主被动上下肢康复训练机构，其特征在于在第二机械臂(15)上设有能与第三轴(9)匹配连接的连接孔(20)。
4、根据权利要求1所述的双出轴主被动上下肢康复训练机构，其特征在于在机架上连接有升降立柱(7)。
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