CN102114318B

CN102114318B - 下肢关节康复训练器

Info

Publication number: CN102114318B
Application number: CN2011100224579A
Authority: CN
Inventors: 王广欣; 赵楠
Original assignee: Dalian Jiaotong University
Current assignee: Dalian Jiaotong University
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2031-01-19
Also published as: CN102114318A

Abstract

本发明涉及一种被动、主动运动训练的下肢关节康复训练器；包括底板、搁腿板、杆长调节钮、可调腿支架、连杆、可调曲柄、变刚度机构、涨紧联接套、轴承座、显示器、控制键盘、腿支架固定旋钮、小腿固定带和设置在机壳内电机传动机构及控制电路，其特征在于：在搁腿板架的两内壁居中处装设由励磁电流调节器、励磁电流线、磁流变液阻尼制动器、支轴座、齿轮轴、齿轮和齿条组成的磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构，由于本发明采用了磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构替代电机传动的变刚度机构；不仅实现不同患者主动训练时阻尼力的设定，而且具有设计合理，结构紧凑，便于加工制造和使用十分方便等优点。

Description

下肢关节康复训练器

技术领域

本发明属于医疗设备的康复器械，特别是涉及一种被动、主动运动训练的下肢关节康复训练器。

背景技术

目前，在市场中的下肢关节康复训练器主要是由机壳、下肢托架、可调节脚支架、传动机构及控制机构等组成，其中的下肢托架则由转动节头连接在一起的大腿支架和小腿支架构成。通过传动机构驱动推杆下端作往复运动，带动下肢托架伸展和屈曲，使置于下肢托架上的患肢得到被动训练，从而达到康复治疗的目的。由于推杆位于小腿支架末端的伸缩杆端部的腿支架下，当推杆下端运行至行程终点时，即下肢托架的屈曲角度最大时，推杆的高度处于最低点，使下肢托架的长度调节及活动角度受到限制，较难满足不同身高的患者的需求。虽然在不断改进后能够适当的提高活动角度，适应能力不断增强。但是都没有摆脱结构上的限制，活动的范围适应的程度必然有限，治疗的效果就会受到很大的影响，在以这种下肢托架结构做康复被动训练时关节做的是非平动不等速运动，这种训练达不到最佳治疗效果。在手术后早期被动训练是十分必要的但是也存在一个问题：病人由于缺乏手术后早期肌肉的主动收缩，均存在不同程度的肌肉萎缩。国外一般是先进行被动训练，然后有专门的医护人员对病人进行主动训练指导，这样就会受医护人员有限的限制。并且现在大多数主动训练器都是立式的，这样就会出现肢体重力的代偿的现象使主动训练达不到应有的效果。因此，针对上述技术存在的缺点，本申请人曾在2006年申请并已授权的专利，该专利号为ZL200620200436.6的一种“下肢关节康复训练器”；它的结构包括：包括底板、搁腿板、杆长调节钮、可调腿支架、连杆、可调曲柄、变刚度机构、涨紧联接套、轴承座、底板、显示器、控制键盘、腿支架固定旋钮、小腿固定带及设置在机壳内电机传动机构及控制电路，位于底板和搁腿板之间设有电机传动的变刚度机构固定于连杆上，与连杆铰接有四根可调曲柄；可调曲柄属于从动的两根通过涨紧联接套与轴承座内的轴相联接；可调曲柄属于驱动的两根通过涨紧联接套与驱动轴相联接；底板上固定有轴承座和机壳；其控制电路由单片机所组成的智能控制电路；其中由信号采集模块所采集的监控信号与通过人机交互模块所设定的控制信号传至单片机，经单片机处理后传到电机驱动模块中，其控制电路还设有信号采集模块、数据通信模块；数据通信模块通过RS232总线与电脑连接；信号采集模块由弹簧位置传感器、主电机位置传感器、扭矩传感器、数模转换器构成；所有传感器都将采集的电压信号输入数模转换器转换成数字信号传给单片机。其电机传动的变刚度机构由电机、传动机构、小齿轮、弹簧套筒、压缩弹簧、压缩杆、外齿条固定架、内齿条固定架构成；其中电机通过传动机构中的连接轴与小齿轮固定连接；小齿轮与外齿条固定架、内齿条固定架上的齿条相啮合；两个弹簧套筒内置有两根压缩弹簧并套在压缩杆上，弹簧套筒位于压缩杆中间端的为活动端，另一端固定在齿条固定支架上；弹簧套筒活动端设有挡片挡住弹簧；两压缩杆中间设有连接器可通过各种固定连接与搁腿板相连接；其传动机构由蜗杆、蜗轮、连接轴所构成；其中蜗轮与连接轴固定为一体；该“下肢关节康复训练器”不仅能使患者活动角度完全满足人体需要，在进行康复训练时实现患者肢体平动和匀速，而且既可在术后前期进行被动训练又可根据患者的训练情况进行不同阶段的主动训练；并且患者还能依靠本专利自主实现主动训练；而实现最佳治疗效果。尽管上述技术已有了显著进步，但其结构仍不甚合理和存在不足之处：由电机、蜗轮、蜗杆的传动机构、小齿轮、弹簧套筒、压缩弹簧、压缩杆、外齿条固定架、内齿条固定架组成的电机传动的变刚度机构，不仅结构复杂，而且套在压缩杆上的两个弹簧，既较难控制技术参数，又不便于加工制造。

发明内容

本发明旨在为了避免上述技术中存在的缺点和不足之处，从采用磁流变液新技术和新型智能材料入手，以磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构替代电机传动的变刚度机构。众所周知，磁流变液(MRF)是近十年来发展起来的一种新型智能材料，它在无外加磁场时，流变特性与普通牛顿流体类似；但在外加磁场作用下可产生磁流变效应，即表观粘度可在毫秒级内增加几个数量级，呈现类似固体的力学性质，且屈服应力与粘度能够随磁场发生可逆变化。利用磁流变效应可以制作出结构简单、响应速度快、调控方便的各种动力传递的由定子和圆柱形转子两大部分组成驱动器。本磁流变液制动器驱动的变刚度机构，不仅实现不同患者主动训练时阻尼力的设定，而且具有设计合理，结构紧凑，便于加工制造和使用十分方便等优点。

本发明的目的是采用如下的技术方案实现的：所述的下肢关节康复训练器，包括底板、搁腿板、杆长调节钮、可调腿支架、连杆、可调曲柄、变刚度机构涨紧联接套、轴承座、显示器、控制键盘、腿支架固定旋钮、小腿固定带和设置在机壳内电机传动机构及控制电路，其特征在于：在搁腿板架的两内壁居中处装设磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构，所述的磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构由励磁电流调节器、励磁电流线、磁流变液阻尼制动器、支轴座、齿轮轴、齿轮和齿条组成，在搁腿板架内底面居中处装设由两支轴座支撑的齿轮轴，该齿轮轴的居中处连接齿轮，与齿轮位置相对应的搁腿板架内底面上连接与齿轮相啮合的齿条，在齿轮任一侧的齿轮轴上连接磁流变液阻尼制动器，搁腿板架内底面上的一侧装设励磁电流调节器，在励磁电流调节器与磁流变液阻尼制动器之间通过励磁电流线连通相接；所述的控制电路是包括单片机的智能控制电路；其中由信号采集模块所采集的监控信号与通过人机交互模块所设定的控制信号传至单片机，在由单片机处理后传到电机驱动模块及励磁电流调节器中。

所述的磁流变液阻尼制动器所在齿轮轴还可以垂直装于搁腿板架内底面上，此时与齿条啮合的齿轮端面平行于内底面。其他组件随齿轮轴的位置变化而改变。

所述的励磁电流调节器由PWM-即脉宽调制集成芯片、负载电流反馈环节、和控制电压线性变换三部分组成。这样一来，就可通过PWM集成芯片完成电磁线圈的电流调节。由于负载变化，例如线圈电阻由于温度而变化，仅调控电压会带来电流误差，可通过负载电流反馈环节进行闭环补偿温度漂移，使系统能长期稳定工作。考虑到许多D/A转换器不具有灌电流能力，为了方便使用，需要对占空比输入控制电压做线性变换。

本发明的原理和操作分述于下：

由于本发明采用磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构，主动训练时，电机停止工作，通过励磁电流调节器改变磁流变液阻尼制动器的工作电流，通过人机交互模块的设定使电流在0到I之间变化，当患者在主动训练时阻尼制动器就可以在带有一定阻尼力的状态下工作，并通过与阻尼制动器相连的轴将阻尼力传递给齿轮，齿轮与齿条啮合将阻尼力传递给搁腿板，此时患者下肢就可以进行有阻尼的往复运动。通过控制外加电流的大小，就可以准确控制阻尼力的大小。

综合以上所采取的技术方案，实现本发明的目的。

与现有技术相比，由于本发明采用了磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构替代电机传动的变刚度机构；不仅实现不同患者主动训练时阻尼力的设定，而且具有设计合理，结构紧凑，便于加工制造和使用十分方便等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明共有四幅附图。其中：

附图1是本发明的具体实施例的主视结构示意图；

附图2是本发明的具体实施例中的磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构的示意图；

附图3是图2的俯视图；

附图4是本发明的具体实施例的控制电路系统结构框图。

图中：1、机壳，2、杆长调节钮，3、可调曲柄，4、变刚度机构，5、可调腿支架，6、搁腿板架，7、涨紧联接套，8、轴承座，9、底板，10、显示器，11、控制键盘，12、腿支架固定旋钮，13、小腿固定带，14、电流调节器，15、励磁电流线，16、磁流变液阻尼制动器，17、支轴座，18、齿轮轴，19、齿轮，20、齿条，21、人机交互模块，22、信号采集模块，23、数据通信模块，24、电机驱动模块，25、单片机。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示是本发明的具体实施例，它的结构包括：底板9、搁腿板架6、杆长调节钮2、可调腿支架5、可调曲柄3、变刚度机构4、涨紧联接套7、轴承座8、显示器10、控制键盘11、腿支架固定旋钮12、小腿固定带13和设置在机壳1内电机传动机构及控制电路，机壳1内的电机传动机构通过连杆铰接有四根可调曲柄3；可调曲柄3属于从动的两根通过涨紧联接套7与轴承座8内的轴相联接；可调曲柄3属于驱动的两根通过涨紧联接套7与驱动轴相联接；底板9上固定有轴承座8和机壳1，其四根可调曲柄3顶部铰接搁腿板架6，实现搁腿板架6作水平的、往返运动；其特征在于：在搁腿板架6的两内壁居中处装设磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构4，所述的磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构4由励磁电流调节器14、励磁电流线15、磁流变液阻尼制动器16、支轴座17、齿轮轴18、齿轮19和齿条20组成，在搁腿板架6两侧壁居中处装设由两支轴座17支撑的齿轮轴18，该齿轮轴18的居中处连接齿轮19，与齿轮19位置相对应的搁腿板架6内底面上连接与齿轮19相啮合的齿条20，在齿轮20前侧的齿轮轴18上连接磁流变液阻尼制动器16，搁腿板架6内底面上的左侧装设励磁电流调节器14，所述的励磁电流调节器14由PWM-即脉宽调制集成芯片、负载电流反馈环节和控制电压线性变换三部分组成；通过PWM集成芯片完成电流调节。由于负载变化，例如线圈电阻由于温度而变化，仅调控电压会带来电流误差，可通过负载电流反馈环节进行闭环补偿温度漂移，使系统能长期稳定工作。考虑到许多D/A转换器不具有灌电流能力，为了方便使用，需要对占空比输入控制电压做线性变换。在励磁电流调节器14与磁流变液阻尼制动器16之间通过励磁电流线15连通相接；所述的控制电路是包括单片机25的智能控制电路；其中由信号采集模块22所采集的监控信号与通过人机交互模块21所设定的控制信号传至单片机25，经单片机25处理后传到励磁电流调节器14中，所述的控制电路是包括单片机25的智能控制电路；其中由信号采集模块22所采集的监控信号与通过人机交互模块21所设定的控制信号传至单片机25，再由单片机25处理后传到电机驱动模块24中；所述的控制电路还设有信号采集模块22、数据通信模块23；数据通信模块23通过RS232总线与单片机25连接；使用时，通过杆长调节钮2调整可调曲柄3的高度适合患者大腿的长度、腿支架固定旋钮12调整可调腿支架6的位置适合患者小腿的长度；然后用小腿固定带13将小腿固定在搁腿板6上；然后根据医生的指导来设定训练。本发明的主要功能操作：(1)根据临床需要可任意设置起始和终止角度，并采用数码管显示起始、终止、实时角度及工作时间；(2)设有常规和每5min、15min、30min增加1度的4种工作模式，可自动完成循序渐进康复锻炼的全过程；(3)运行时遇到异常阻力可自动反转，确保病人安全，自动反转时的阀值可自由设定；(4)运行速度在4度/秒的范围内可任意调节，满足术后各阶段的锻炼要求；(5)设有定时关机功能，方便临床管理，定时时间0min——255min可调；(6)配置手控器，可由患者直接控制机器的屈、伸、启、停。人机交互模块21可采用包含控制键盘11(一个4x4键盘)与显示器10(一个六位数码显示器)来组成，应用控制键盘11可进行位置调节、速度调节、模式选择等操作。在操作的同时，系统的数据通信模块23含一个RS-232标准通信接口，通过终端可对系统进行设置或扩展逻辑功能，系统专门设计了一套通用操作指令，统一了数据采集模块22与电机驱动模块24的接口，还能用于终端的功能扩展，使系统能够实现各种不同的复杂运行模式，现在提供了Windows操作系统兼容的PC平台控制软件，在未来将会推出其他平台的控制软件及开发包。目前系统中定义的控制指令包含电机的速度、方向、启停、刹车设置，位置、扭矩反馈信号采集，以及系统运行的定时等。由键盘11输入指令和操作数，按钮按下后，输入的内容显示于显示器10上。运行模式时，显示器10显示运行状态。

在做主动训练时根据医生指导，在控制键盘中设定患者该阶段最大肌力来调节磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构4的行程范围，具体实施为：主动训练时，电机停止工作，通过单片机25将人机交互模块21设定的改变电流信号传递给励磁电流调节器14，并改变磁流变液阻尼制动器的工作电流，使电流在0到I之间变化，当患者在主动训练时阻尼制动器就可以在带有一定阻尼力的状态下工作，并通过与阻尼制动器16相连的轴18将阻尼力传递给齿轮19，齿轮19与齿条20啮合将阻尼力传递给搁腿板，此时患者下肢就可以进行有阻尼的往复运动。通过控制外加电流的大小，就可以准确控制阻尼力的大小。这样就实现了患者的主动训练。

为了确保训练器的精确性、稳定性、安全性，主驱动采用了单相异步电机。驱动模块24中的电机驱动机构使用双向可控硅调压方式对其进行调速控制，正反转切换使用固态交流继电器SSR机型控制。变刚度驱动部分由励磁电流调节器14控制基于磁流变液的阻尼制动器。

所需的反馈信号包括主电机的位置和扭矩、变刚度机构齿条位置，传感器反馈信号为0-5V电压模拟量，通过信号采集模块22中的转换模块(ADC0809转换器)转换为数字信号发回单片机；位置传感器使用的是高精度的旋钮电位器，电压模拟量送入转换模块(ADC0809转换器)的IN端口，转换模块(ADC0809转换器)的转换精度为8Bit，能够满足使用的需要。速度量由位置信号通过算法处理运算得到，由软件实现；扭矩传感器的模拟电压量送入转换模块(ADC0809转换器)的IN端口，结果进入单片机，并与力矩调节旋钮设定的阀值进行比较。若训练器承受的负荷超过力矩调节旋钮所设定的阀值，则单片机发出电机换向信号，经方向控制，使电机换向；反之，则保持原方向运行。由于单片机的反应速度快、精度高，再加上反馈环节这样就可以保持康复训练过程的安全性。

以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所有熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明的构思加以等同替换或改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种下肢关节康复训练器，包括底板、搁腿板、杆长调节钮、可调腿支架、连杆、可调曲柄、变刚度机构、涨紧联接套、轴承座、显示器、控制键盘、腿支架固定旋钮、小腿固定带和设置在机壳内电机传动机构及控制电路，其特征在于：在搁腿板架(6)的两内壁居中处装设磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构(4)，所述的磁流变液阻尼制动器驱动的变刚度机构(4)由励磁电流调节器(14)、励磁电流线(15)、磁流变液阻尼制动器(16)、支轴座(17)、齿轮轴(18)、齿轮(19)和齿条(20)组成，在搁腿板架(6)内底面居中处装设由两支轴座(17)支撑的齿轮轴(18)，该齿轮轴(18)的居中处连接齿轮(19)，与齿轮(19)位置相对应的搁腿板架(6)内底面上连接与齿轮(19)相啮合的齿条(20)，在齿轮(19)任一侧的齿轮轴(18)上连接磁流变液阻尼制动器(16)，搁腿板架(6)内底面上的一侧装设励磁电流调节器(14)，在励磁电流调节器(14)与磁流变液阻尼制动器(16)之间通过励磁电流线(15)连通相接；所述的控制电路是包括单片机(25)的智能控制电路；其中由信号采集模块(22)所采集的监控信号与通过人机交互模块(21)所设定的控制信号传至单片机(25)，在由单片机(25)处理后传到电机驱动模块(24)及励磁电流调节器(14)中。

2.按权利要求1所述的下肢关节康复训练器，其特征在于：所述的励磁电流调节器(14)由PWM-脉宽调制集成芯片、负载电流反馈环节和控制电压线性变换三部分组成。