CN101829004A - 双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置，包括直线驱动单元、下肢托架单元以及控制单元，其中，直线驱动单元包括底板、无杆气缸、无杆气缸的滑台、第一充气伸长型气动柔性驱动器和第二充气伸长型气动柔性驱动器、导杆、固定支架、联接件、可移动支架、滑动副；下肢托架单元包括大腿杆、大腿托板、小腿杆、小腿托板、脚托架、联接杆、T型连接件、L型杆、第一调节装置和第二调节装置；控制单元包括角度位移传感器、力传感器、位移传感器和控制器。本发明可根据患者的康复程度，方便地实现膝关节被动训练和主动训练等多种康复训练模式，并且施力(包括被动训练中带动患膝运动的驱动力和主动训练中设置的训练阻尼力)无级可调、训练角度无级可调。

Description

双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置

技术领域

本发明属于可应用于膝关节损伤患者手术后进行康复训练的关节康复训练装置，特别是一种双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置。

背景技术

膝关节是人体中承担支承和运动功能的重要关节。如果膝关节在发生损伤或医疗手术后的康复期内不能及时得到有效的锻炼，则极易造成膝关节部位的粘连和肌肉萎缩，从而大大限制膝关节的运动能力，严重的甚至会造成关节部分功能的永久缺损。因此，现代康复医学认为，术后及时对膝关节进行适度、有效的康复锻炼，对恢复膝关节功能具有非常重要的作用。

目前已有不少关于关节康复器械的专利申请，例如：美国专利US6325770B1和US6221033B1、中国专利200410006254.0等。市场上关节康复训练器的种类也比较多(一般称为CPM机，Continuous Passive Motion)，但它们的工作原理都是持续被动运动理论，基本上都采用了电机+机械传动机构的基本结构。这种CPM机的缺点在于它们一般只能对患者提供被动运动的康复训练，即：由电机带动机械传动机构运动，从而带动患者肢体运动。随着康复医学技术的发展，越来越多的医学专家认为，简单的持续被动训练过多地关注于对关节灵活性的锻炼，而没有对与关节关联的肌肉和韧带进行必要的拉伸锻炼，大大影响了患肢康复的效果。越来越多的医学专家强调，被动的CPM训练必须与患者的主动训练相结合，因此迫切需要一种能够提供主动-被动两种不同训练方式的关节康复训练装置。另一方面，传统CPM机由于是机械刚性联接，若施力不当或运动范围超过患者关节所能承受的动作范围时，则极易对关节造成二次伤害，因此迫切需要一种施加力度可调的、具有良好柔顺性的关节康复训练装置。

为了解决传统CPM机存在的上述问题，技术人员进行了相关的研究，如中国专利申请200910031938.9与200410077721.9等。但这些研究仍然没有很好地全部解决传统CPM机存在的两大主要问题。例如：中国专利200910031938.9中提出了一种双出轴主被动上下肢康复训练机构，利用磁流变阻尼器可提供主动康复训练中的阻尼力，实现了关节的主动训练，解决了康复训练不同阶段对主-被动训练的不同要求，但它仍然是利用电机作为康复训练的动力源，仍然没有避免电机+机械传动机构的刚性结构，所以仍然存在安全性差的问题；中国专利200410077721.9提出了一种利用Mckibben型气动肌肉的气动式下肢康复装置，由于利用了气动肌肉具有柔顺性的特点，使得该康复装置具有较好的柔顺性和安全性，但这种康复装置仍然只能对患者实施被动训练，无法满足主动训练的要求。同时，由于Mckibben型气动肌肉的有效行程较短，使得该康复训练装置所能提供的训练角度较小，无法实现膝关节康复训练中的大角度运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可适用于膝关节损伤患者术后进行康复训练的器械，该康复训练器械具有屈膝-伸膝双向柔顺性的特点，并可根据患者的康复进程提供被动训练、主动训练等多种不同的训练方式，且具有施加力可调、最大训练转动角度可调，主动训练阶段阻尼力智能控制等特点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置，包括直线驱动单元、下肢托架单元以及控制单元，其中，直线驱动单元包括底板、无杆气缸、无杆气缸的滑台、第一充气伸长型气动柔性驱动器和第二充气伸长型气动柔性驱动器、导杆、固定支架、联接件、可移动支架、滑动副；下肢托架单元包括大腿杆、大腿托板、小腿杆、小腿托板、脚托架、联接杆、T型连接件、L型杆、第一调节装置和第二调节装置；控制单元包括角度位移传感器、力传感器、位移传感器和控制器；

在无杆气缸滑台上沿无杆气缸行程方向的两侧边缘处对称安装有两个固定支架，两个固定支架之间沿无杆气缸行程方向安装有导杆，导杆的轴线与无杆气缸的活塞的轴线平行，在导杆上依次安装有第二充气伸长型气动柔性驱动器、可移动支架和第一充气伸长型气动柔性驱动器；第二充气伸长型气动柔性驱动器连接有管接头的一侧的端盖与一个固定支架固联，第一充气伸长型气动柔性驱动器连接有管接头的一侧的端盖与另一个固定支架固联，第一充气伸长型气动柔性驱动器和第二充气伸长型气动柔性驱动器管道封闭的一侧的端盖分别与可移动支架固联；两个固定支架上分别安装有联接件；两对滑动副对称放置在无杆气缸滑台沿无杆气缸行程方向的中心线的两侧，且滑动副的滑动方向与无杆气缸活塞的行程方向平行；每对滑动副由杆件和滑块组成，该杆件的两端分别固定在两个联接件上，该滑块固定在可移动支架上，该可移动支架在与无杆气缸行程方向垂直的方向的两侧分别固联有T型连接件，该两个T型连接件上各自联接有小腿杆，两个小腿杆之间联接有联接杆，联接杆上安装有脚托架，无杆气缸固定在底板上，两个L型杆分别固定在底板的两侧；两个小腿杆和联接杆之间设有可调节杆件长度的第一调节装置，两个L型杆上设有可调节杆件长度的第二调节装置；可移动支架与T型连接件之间、小腿杆与大腿杆之间以及大腿杆与L型杆之间构成转动副；角度传感器安装在大腿杆和与小腿杆之间的转动副处，并与该转动副同心；力传感器和位移传感器安装在无杆气缸的滑台上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)可根据患者的康复程度，方便地实现膝关节被动训练和主动训练等多种康复训练模式，并且施力(包括被动训练中带动患膝运动的驱动力和主动训练中设置的训练阻尼力)无级可调、训练角度无级可调；(2)由于采用了双气动柔性驱动器，使得本发明具有双向柔顺的特点；(3)采用了无杆气缸和双气动柔性驱动器复合的驱动技术，解决了气动肌肉行程小、训练角度难以满足康复训练要求的技术难题；(4)可实现训练过程中施加力的智能控制。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置的总体结构示意图。

图2为本发明的E向局部放大示意图。

图3为本发明力传感器和位移传感器放置位置的示意图。

图4为本发明被动训练方式下的动作原理图。

图5为本发明主动训练方式下的动作原理图。

具体实施方式

本发明双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置，包括直线驱动单元、下肢托架单元以及控制单元。其中，直线驱动单元包括底板1、无杆气缸2、无杆气缸的滑台3、第一充气伸长型气动柔性驱动器4和第二充气伸长型气动柔性驱动器6、导杆5、固定支架7、联接件8、可移动支架9、滑动副10；下肢托架单元包括大腿杆11、大腿托板12、小腿杆13、小腿托板14、脚托架15、联接杆16、T型连接件17、L型杆18、第一调节装置19和第二调节装置20；控制单元包括角度位移传感器21、力传感器22、位移传感器23和控制器(图中没有表示，可以市购或者通过常规计算机编程实现控制)。无杆气缸2固定在底板1上，在无杆气缸滑台3上沿无杆气缸2行程方向的两侧边缘处对称安装有两个固定支架7，两个固定支架7之间沿无杆气缸2行程方向安装有导杆5，该导杆5的轴线与无杆气缸2活塞的轴线平行，导杆5上从L(图2、图3的左边)向R(图2、图3的右边)方向依次安装有第二充气伸长型气动柔性驱动器6、可移动支架9和第一充气伸长型气动柔性驱动器4。其中，第一充气伸长型气动柔性驱动器4和第二充气伸长型气动柔性驱动器6为相同的两个部件，由初始截面形状为扁平状的、外圆周包覆加强网的橡胶管经螺旋卷绕形成，橡胶管的一端设有管接头，另一端为封闭端，橡胶管的内腔构成充气伸长型气动柔性驱动器的工作腔，充气后在轴向方向上膨胀产生位移。第一充气伸长型气动柔性驱动器4和第二充气伸长型气动柔性驱动器6的具体内容在作为与本发明同时递交的另一件专利申请中详细说明。第一充气伸长型气动柔性驱动器4和第二充气伸长型气动柔性驱动器6连接有管接头的一侧的端盖分别与两个固定支架7固联，第一充气伸长型气动柔性驱动器4和第二充气伸长型气动柔性驱动器6管道封闭的一侧的端盖分别与可移动支架9中间位置设计出的两个凸缘进行固联。两个固定支架7上分别安装有两个联接件8。两对滑动副10对称放置在无杆气缸滑台3沿无杆气缸2行程方向的中心线的两侧，且滑动副10的滑动方向与无杆气缸2活塞的行程方向平行。滑动副10由杆件和滑块组成，滑动副10中的杆件的两端分别固定在两个联接件8上，滑动副10中的滑块则固定在可移动支架9上。当无杆气缸滑台3或第一充气伸长型气动柔性驱动器4(或第二充气伸长型气动柔性驱动器6)动作产生位移时，即可带动可移动支架9产生轴向位移。可移动支架9在与无杆气缸2行程方向垂直的方向的两侧分别固联有T型连接件17，两个T型连接件17上各自联接有小腿杆13，两个小腿杆13之间联接有联接杆16，联接杆16上安装有脚托架15，两个小腿杆13和联接杆16之间分别设计有可调节杆件长度的第一调节装置19，两个小腿杆13之间设有材质柔软的小腿托板14。两个大腿杆11之间设有材质柔软的大腿托板12，两个L型杆18分别固定在底板1的两侧，并分别设计有可调节杆件长度的第二调节装置20。可移动支架9与T型连接件17之间、小腿杆13与大腿杆11之间以及大腿杆11与L型杆18之间构成转动副。因此，可移动支架9、T型连接件17、小腿杆13、大腿杆11构成了曲柄滑块机构。进一步，角度传感器21安装在大腿杆11和与小腿杆13之间的转动副处，并与该转动副同心；力传感器22和位移传感器23安装在无杆气缸的滑台3上。该双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置可通过控制器控制供气压力、供气方向和供气流量实现对膝关节康复训练中的被动训练和主动训练等多种不同的训练方式，并具有屈膝-伸膝双向柔顺、最大训练转动角度可调、被动训练中的驱动力可控、主动训练中的阻尼力可控等特点。

下面结合附图1～5说明本发明的具体实施方式：

一、被动训练方式

(1)被动训练准备阶段

患者在准备进行膝关节被动训练时，首先取仰卧位，并将需训练的下肢置于双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置的大腿托板和小腿托板上，脚置于脚托架上。通过第一调节装置19和第二调节装置20，调节康复训练装置杆件的长度以适应不同身高的康复训练对象。利用固定绷带将大腿和小腿固定在托板上。此时，向无杆气缸2的P2孔供气，使无杆气缸滑台3处于图1所示视图方向的无杆气缸2最右端，同时，向第二充气伸长型气动柔性驱动器6供气，使之处于伸长的状态，第一充气伸长型气动柔性驱动器4的气孔通大气，为最大收缩状态。可移动支架处于图4所示的A点位置。此时，大腿杆与小腿杆处于同一直线方向。患者下肢处于伸展状态。

(2)被动训练第一阶段

被动训练第一阶段为气缸驱动的膝关节屈膝被动训练阶段。在该阶段，第二充气伸长型气动柔性驱动器6和第一充气伸长型气动柔性驱动器4保持被动训练准备阶段中各自的状态不变，即第二充气伸长型气动柔性驱动器6处于充气伸长状态，第一充气伸长型气动柔性驱动器4处于非充气的最大收缩状态，与可移动支架之间没有相对位移。此时，无杆气缸2右边气孔P1进气，左边气孔P2排气，无杆气缸的滑台3向左运动，带动其上的固定支架、导杆、第二充气伸长型气动柔性驱动器6和第一充气伸长型气动柔性驱动器4、可移动支架、滑动副等一起向左运动。由前可知，可移动支架、T型连接件、小腿杆、大腿杆构成了曲柄滑块机构，当可移动支架向左运动时，带动T型连接件进而带动小腿杆和大腿杆做相应的转动，实现膝关节的弯曲运动。这一训练过程的末端如图4中粗实线所示，可移动支架运动至B点位置。在这一过程中，通过控制器控制气缸的供气压力和供气流量，可以控制被动训练的施力大小和运动速度大小。通过控制器控制无杆气缸的行程，可以控制膝关节的训练角度。

(3)被动训练第二阶段

被动训练第二阶段为气动柔性驱动器驱动的膝关节屈膝被动训练阶段。在膝关节康复训练末端的5°左右的角度行程范围内，由气动柔性驱动器驱动进行膝关节被动训练。此时，无杆气缸2两腔同时供气，使无杆气缸滑台3停止在被动训练第一阶段的末了位置。同时，对第一充气伸长型气动柔性驱动器4供气、第二充气伸长型气动柔性驱动器6排气，在第一充气伸长型气动柔性驱动器4的作用下，推动可移动支架继续向左移动，进而带动T型连接件、小腿杆和大腿杆继续做相应的转动，实现气动柔性驱动器驱动的膝关节弯曲运动。在这一训练过程中，可移动支架由图4中的B点运动至C点。通过控制器控制气动柔性驱动器的供气压力可以控制该阶段的施力大小。由于气动柔性驱动器所具有的良好柔顺性，可保证膝关节屈膝训练末端的柔顺安全性。

(4)被动训练第三阶段

被动训练第三阶段为气动柔性驱动器驱动的膝关节被动训练的伸展回复阶段。在这一阶段，保持无杆气缸2两腔的供气，即保持气缸滑台3不动，同时，第一充气伸长型气动柔性驱动器4排气使之收缩回复至初始状态，对第二充气伸长型气动柔性驱动器6供气使之伸长产生向右的位移，可移动支架由C点向右运动至B点。由于这一过程是由气动柔性驱动器驱动的，所以具有良好的柔顺性。

(5)被动训练第四阶段

被动训练第四阶段为气缸驱动的膝关节被动训练的伸展回复阶段。保持第二充气伸长型气动柔性驱动器6供气和第一充气伸长型气动柔性驱动器4排气的状态不变，改变无杆气缸2的供排气状态为左边的气孔P2供气，右边的气孔P1排气，此时气缸滑台3向右运动，带动其上的固定支架、导杆、第二充气伸长型气动柔性驱动器6和第一充气伸长型气动柔性驱动器4、可移动支架、滑动副等一起向右运动，进而带动T型连接件、小腿杆和大腿杆做相应的转动，实现膝关节的伸展回复运动。最终，可移动支架运动至A点，患者下肢回复到初始的伸展状态。至此，康复被动训练的一个循环周期结束。

重复上述被动训练第一～第四阶段，便可得到循环往复的被动训练。

二、主动训练方式

(1)主动训练准备阶段

与被动训练准备阶段相同，患者下肢置于大腿托板和小腿托板上，脚置于脚托架上。通过第一调节装置19和第二调节装置20，调节康复训练装置杆件的长度以适应不同身高的康复训练对象。利用固定绷带将大腿和小腿固定在托板上。此时，向无杆气缸2的P2孔供气，使无杆气缸的滑台3处于图1所示视图方向的无杆气缸2最右端，同时，向第二充气伸长型气动柔性驱动器6供气使之处于伸长的状态，充气伸长型第一充气伸长型气动柔性驱动器4的气孔通大气，为最大收缩状态。可移动支架处于图5所示的A点位置。此时，大腿杆与小腿杆处于同一直线方向，患者下肢处于伸展状态。在主动训练阶段，无杆气缸2的两腔回路上分别设置了气动比例流量阀。

(2)主动训练第一阶段

该阶段为膝关节屈膝主动训练阶段。首先，保持主动训练准备阶段中无杆气缸和各气动柔性驱动器的供/排气状态不变，由进行主动训练的下肢向下施加压力压缩第二充气伸长型气动柔性驱动器6，并通过力传感器检测这一主动施加的力的大小。此时，第二充气伸长型气动柔性驱动器6被压缩一定的长度，可移动支架由A点运动至D点，患者下肢进行了初始的小角度弯曲。此后，改变无杆气缸2的P2孔的供/排气状态，使之由准备阶段的供气状态变为排气状态，同时，将前面检测出的力信号传递给控制器，在一定的控制策略下，控制无杆气缸2两腔气路上的气动比例流量阀的开度大小，以控制主动训练屈膝运动的阻尼力。这一训练过程为：人体下肢主动施力克服气缸的阻力，通过小腿杆、T型连接件、可移动支架，带动气缸滑台向左运动至某一点，例如，运动至图5中所示的E点。

(3)主动训练第二阶段

该阶段为膝关节主动训练的伸展回复阶段。首先，改变两个气动柔性驱动器的供/排气状态，使第二充气伸长型气动柔性驱动器6排气、第一充气伸长型气动柔性驱动器4供气。这一阶段的运动初始点为图5中的E’点(E’点比E点稍微偏左，这主要是由于第一充气伸长型气动柔性驱动器4和第二充气伸长型气动柔性驱动器6的供/排气状态发生变化所致)。由患者下肢向前施加压力压缩第一充气伸长型气动柔性驱动器4，并通过力传感器检测这一主动施加的力的大小。同时，将这一检测信号传递给控制器，在一定的控制策略下，控制气缸两腔气路上的气动比例流量阀的开度大小，以控制主动训练伸展运动的阻尼力。这一训练过程为：人体下肢主动施力克服气缸的阻力，通过小腿杆、T型连接件、可移动支架，带动气缸滑台向右运动直至A点，下肢回复到完全伸展的初始状态。

重复上述主动训练第一、第二阶段，便可得到循环往复的主动训练。

Claims (2)

1.一种双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置，其特征在于包括直线驱动单元、下肢托架单元以及控制单元，其中，直线驱动单元包括底板[1]、无杆气缸[2]、无杆气缸的滑台[3]、第一充气伸长型气动柔性驱动器[4]和第二充气伸长型气动柔性驱动器[6]、导杆[5]、固定支架[7]、联接件[8]、可移动支架[9]、滑动副[10]；下肢托架单元包括大腿杆[11]、大腿托板[12]、小腿杆[13]、小腿托板[14]、脚托架[15]、联接杆[16]、T型连接件[17]、L型杆[18]、第一调节装置[19]和第二调节装置[20]；控制单元包括角度位移传感器[21]、力传感器[22]、位移传感器[23]和控制器；

在无杆气缸滑台[3]上沿无杆气缸[2]行程方向的两侧边缘处对称安装有两个固定支架[7]，两个固定支架[7]之间沿无杆气缸[2]行程方向安装有导杆[5]，导杆[5]的轴线与无杆气缸[2]的活塞的轴线平行，在导杆[5]上依次安装有第二充气伸长型气动柔性驱动器[6]、可移动支架[9]和第一充气伸长型气动柔性驱动器[4]；第二充气伸长型气动柔性驱动器[6]连接有管接头的一侧的端盖与一个固定支架[7]固联，第一充气伸长型气动柔性驱动器[4]连接有管接头的一侧的端盖与另一个固定支架[7]固联，第一充气伸长型气动柔性驱动器[4]和第二充气伸长型气动柔性驱动器[6]管道封闭的一侧的端盖分别与可移动支架[9]固联；两个固定支架[7]上分别安装有联接件[8]；两对滑动副[10]对称放置在无杆气缸滑台[3]沿无杆气缸[2]行程方向的中心线的两侧，且滑动副[10]的滑动方向与无杆气缸[2]活塞的行程方向平行；每对滑动副[10]由杆件和滑块组成，该杆件的两端分别固定在两个联接件[8]上，该滑块固定在可移动支架[9]上，该可移动支架[9]在与无杆气缸[2]行程方向垂直的方向的两侧分别固联有T型连接件[17]，该两个T型连接件[17]上各自联接有小腿杆[13]，两个小腿杆[13]之间联接有联接杆[16]，联接杆[16]上安装有脚托架[15]，无杆气缸[2]固定在底板[1]上，两个L型杆[18]分别固定在底板[1]的两侧；两个小腿杆[13]和联接杆[16]之间设有可调节杆件长度的第一调节装置[19]，两个L型杆[18]上设有可调节杆件长度的第二调节装置[20]；可移动支架[9]与T型连接件[17]之间、小腿杆[13]与大腿杆[11]之间以及大腿杆[11]与L型杆[18]之间构成转动副；角度传感器[21]安装在大腿杆[11]和与小腿杆[13]之间的转动副处，并与该转动副同心；力传感器[22]和位移传感器[23]安装在无杆气缸的滑台[3]上。

2.根据权利要求1所述的双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置，其特征在于：第一充气伸长型气动柔性驱动器[4]和第二充气伸长型气动柔性驱动器[6]为相同的两个部件，由初始截面形状为扁平状的、外圆周包覆加强网的橡胶管经螺旋卷绕形成，橡胶管的一端设有管接头，另一端为封闭端，橡胶管的内腔构成充气伸长型气动柔性驱动器的工作腔，充气后在轴向方向上膨胀产生位移。

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