CN103211694B - 基于头部自重牵引原理的颈椎康复机器人 - Google Patents

Abstract

基于头部自重牵引原理的颈椎康复机器人，设有固定床架、活动床板和活动头枕，其中活动头枕具有三个转动自由度，本发明结构新颖，并克服现有颈椎牵引产品向上拉拔给患者下颌产生的极度不适，通过机械液压系统实现头低腿高的倾斜体位，分别在俯卧位和仰卧位利用头部自重进行颈椎牵引，再利用精密控制的机械头枕代替医师手法实现头部的上下俯仰、左右摆动和旋转牵引，实现增大椎体、椎间孔和小关节间隙，减少椎动脉扭曲，缓解肌肉痉挛，解除神经血管等组织受压，恢复颈椎生理曲度，对颈椎病症状群进行康复治疗。

Description

基于头部自重牵引原理的颈椎康复机器人

技术领域

本发明属于一种颈椎康复设备，具体涉及一种基于头部自重牵引原理的颈椎康复机器人。

背景技术

随着社会发展的高度信息化，人们的工作步入了高节奏、高效率、高压力的三高时代，信息化最主要的代表就是电脑主宰了人们的工作、学习、生活、娱乐，人们缺少运动，久坐不动。在人类漫长的进化过程中、人体的脊椎从平行到直立，颈椎和腰椎担负起全身60%以上的重量。由于脊椎长期受到直立时的重压，随着年龄的增长会导致各种脊椎疾病。世界医学专家对人体脊椎与各种身体病痛不适相对应之调查，发现80%的慢性疾病多因脊椎病变所引起；据国家卫生部统计，我国颈腰椎病患者08年已突破2亿。而直立行走是保护人类颈腰椎最符合自然规律的运动。由于缺少锻炼，颈腰椎病发病率逐年增加，且发病年龄愈发呈现年轻化，反复性、严重性。从事伏案研究、电脑使用人员及运动员最易患颈腰椎病。久坐，长时间保持一个姿势，会使肌肉，韧带，筋膜，关节囊等软组织长期处于紧张状态。让颈部、腰部和胳膊的肌肉受到疲劳之后超出生理的负荷，使得颈椎、腰椎的间盘退化，产生骨质增生，椎间盘直接压迫颈腰椎部神经，从而引起疼痛、劳损，导致多种颈椎病，腰椎病疾病的发生。而胳膊和手腕也因长时间一个姿势拿握鼠标造成手腕和肌肉酸疼、劳损。颈腰椎病的发病，年青人主要是因为外因，即姿势式疲劳和损伤，主要以姿势性疲劳为主。长时间同一姿势伏案工作，颈肩部的肌肉一直处于紧张强直状态，血液循环不畅，极易导致颈椎病的发生。

颈椎病是颈椎间盘退变，相邻椎节继发性改变刺激、压迫学过神经脊髓及相关组织引发的一系列临床症状。

我国已加速进入了老年社会，对于中老年人来说，颈椎病的内因是身体的退行性病变。颈椎的病变直接造成患者肢体运动功能障碍，需要家人长期随身照顾，加剧了人们的经济压力和生活压力，使得社会负担加重，也降低了生活质量。

另外，人们在繁重的工作、频发的交通事故、体育运动和日常生活中出现的颈椎损伤并导致肢体功能障碍，需要长期不间断的治疗，以恢复原有的运动功能。

在以上所述因各种原因导致的颈椎疾病及并发四肢运动功能障碍患者的治疗中，最重要的康复治疗手段就是牵引推拿和按摩。

因此，结合人体生理学与机械、物理、力学科学规律，将优秀的康复医师的经验、推拿牵引手法、加载力度和速度以一定关系集成到计算机系统中，再通过康复机器人加以实现，不仅可以增加康复治疗的精准性、也可以减轻康复医师的体力消耗，显著提高康复治疗的效率。可以广泛应用于各种急慢性损伤引起的颈椎间盘突出、放射性腿脚麻木、行走无力、脖颈功能障碍，以及外伤性颈椎骨折、错位、脱位等症状；也可适用于颈椎性头晕目眩，头痛耳鸣、血压异常等临床症状。

目前，国内外医疗单位常用到的颈椎病治疗方法包括手术疗法、神经阻滞疗法、药物治疗、理疗、推拿治疗、牵引治疗。

牵引治疗常作为神经根型、颈型和交感型颈椎病的首选疗法。常常辅以神经阻滞疗法和药物治疗，适应面广，应用广泛，疗效显著。现有的牵引设备有：

重锤式牵引架：患者坐在椅子上，枕颌带固定于头部，从脖子上包住下颌，其上的绳索绕过架子上方的滑轮，与可加减质量的重锤相连，根据患者病况人工加载不同的重量吊起头部，重锤重量应超过头部重量，从而实现对颈部的拉伸。也可去掉重锤，改为电动加载。随着牵引重量的加大，患者下颌及面部承受长时间较大的勒紧力，产生麻木和紧迫等较大的痛苦，体质弱的患者不堪重负，同时造成血压上升。

吊挂式家用颈椎牵引器：类似于重锤式牵引架，将牵引器用挂链挂到家用门框或墙上适当位置，将椅子放在牵引器下面。将颈椎牵引器固定在颈部，利用杠杆原理，通过弹簧秤或旋紧螺旋杆作牵引力，无需悬挂重物。患者拉动牵引绳，牵引带即上提，牵引力大小自行控制，但需要在家中墙壁上安装挂钩，破坏装修效果，使用缺点同重锤式牵引架。

自动颈椎牵引椅：结构类似重锤式牵引架，但是由微电脑控制，牵引力、持续时间、间歇时间、治疗总时间任意可调和监测，牵引力由力量传感器自动控制，颈椎牵引角度可调，具备紧急复位和自动报警功能。使用缺点同重锤式牵引架。

气囊牵引器：是由围在颈部周围的气囊充气后产生向上的牵引力，对颈椎进行拉伸牵引和固定。缺点是牵引力不分前后左右平均向上，其牵引力主要作用在前下巴部位，而非颈椎部位，由于牵引时颈后位置人体曲线相对平直，加上气囊材料过于柔软，使其对颈部的向上牵引作用力不大，牵引效果不佳。

颈椎牵引枕：通过设计一定的弧度的头枕，使得颈部在头部的重量下得到恢复自然曲线的作用。 

上述牵引仪器或设备均需要医师进行额外的推拿牵引，以对颈椎和肌肉群进行放松，同时配合适当的药物治疗。

根据上述分析，现有的颈椎治疗仪器治疗上会带来附加的痛苦和不适，或者具备的缺陷使其应用受到影响，而且离不开治疗医师繁重的体力劳动。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于头部自重牵引原理的颈椎康复机器人，其结构新颖，并克服现有颈椎牵引产品向上拉拔给患者下颌产生的极度不适，通过机械液压系统实现头低腿高的倾斜体位，分别在俯卧位和仰卧位利用头部自重进行颈椎牵引，再利用精密控制的机械头枕代替医师手法实现头部的上下俯仰、左右摆动和旋转牵引，实现增大椎体、椎间孔和小关节间隙，减少椎动脉扭曲，缓解肌肉痉挛，解除神经血管等组织受压，恢复颈椎生理曲度，对颈椎病症状群进行康复治疗。

本发明所采用的技术方案是：基于头部自重牵引原理的颈椎康复机器人，设有固定床架、活动床板和活动头枕，活动床板设置在固定床架上，所述固定床架的床头端由固定床腿支撑，固定床架的床尾端由伸缩机构支撑，所述活动床板的一端固定连接有床头筒，活动床板另一端的两侧带有平移滑杆，在平移滑杆上套有平移套筒，平移套筒可沿平移滑杆滑动，活动床板在固定床腿处与固定床架呈铰销连接，活动床板可绕铰销旋转，伸缩机构的伸缩杆与平移套筒呈铰销连接；活动头枕与活动床板一端的床头筒相连接，所述的活动头枕包括头枕套、头枕颈椎托板和头枕转轴，与头枕转轴连接的转筒设置在床头筒内，设置在床头筒一端的俯仰减速电机的动力输出轴与主动齿轮连接，主动齿轮与转筒上的从动齿轮啮合，通过俯仰减速电机驱动转筒形成活动头枕的俯仰运动；在所述转筒上设有水平的卡槽，在卡槽内设有转动块，所述的转动块上设有轴孔，活动头枕的头枕转轴设置在转动块的轴孔中并具有伸出端，伸出端连接的转轴锥齿轮与旋转减速电机输出轴上的输出锥齿轮相啮合，由旋转减速电机带动头枕转轴旋转，形成活动头枕沿头枕转轴轴线的旋转运动；所述转动块设有销轴，销轴插入到转筒上对应的销孔内并伸出，销轴伸出端与固定在转筒下方的摆动减速电机的输出轴连接，由摆动减速电机驱动转动块在转筒的水平卡槽中旋转，形成活动头枕的左右摆动。

所述的伸缩机构为二级伸缩液压缸。

还设有液压控制系统和机电控制系统，液压控制系统用于实现二级伸缩液压缸的平稳抬高，通过伸缩机构实现活动床板头低脚高的体位，利用头部重量对颈椎进行牵引；机电控制系统用于精确控制活动头枕沿三个方向的转动，代替医师的牵引手法。

本发明的有益效果是：

其一、该颈椎康复机器人针对现有颈椎牵引仪器和设备造成患者下颌及面部承受长时间较大的勒紧力而产生的麻木和紧迫等极度不适以及血压上升的副作用，创新思路，通过机械液压系统实现头低腿高的倾斜体位，分别在俯卧位和仰卧位利用头部自重作为牵引力进行颈椎牵引，实现增大椎体、椎间孔和小关节间隙，减少椎动脉扭曲，缓解肌肉痉挛，解除神经血管等组织受压，恢复颈椎生理曲度，对颈椎病症状群进行康复治疗。

其二、该颈椎康复机器人以结构新颖精巧的活动头枕实现了头部三个转动自由度的运动，综合利用精密机械和计算机数字控制技术代替医师实现头部上下俯仰、左右摆动和旋转等牵引运动，对颈椎病人实现更好的牵引治疗效果，具有较高的市场价值。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是本发明的侧视图。

图3是本发明工作状态的结构示意图。

图4是本发明中固定床架结构示意图。

图5是本发明中活动床板的主视图。

图6是本发明中活动床板的俯视图。

图7是本发明中活动头枕与床头筒连接的结构示意图。

图8是图7中沿A—A线的剖视图。

图9是图8中沿B—B线的剖视图。

图10是本发明中转筒的主视图。

图11是本发明中转筒的俯视图。

图12是本发明中转动块的结构示意图。

图13是活动头枕的主视图。

图14是活动头枕的俯视图。

图15是活动头枕的左视图。

图中标记：1、固定床架，101、固定床腿，102、伸缩机构， 2、活动床板，201、床头筒，202、平移滑杆，203、平移套筒，204、俯仰减速电机，205、挡肩板，206、主动齿轮，3、活动头枕，301、头枕套，302、头枕颈椎托板，303、头枕转轴， 304、转轴锥齿轮，305、转筒，3051、销孔，306、从动齿轮， 307、转动块，3071、销轴， 308、摆动减速电机，309、旋转减速电机，310、输出锥齿轮，4、液压控制系统，5、机电控制系统。 

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

如图所示，基于头部自重牵引原理的颈椎康复机器人，主要由固定床架1、活动床板2、活动头枕3、液压控制系统4和机电控制系统5组成，活动床板2设置在固定床架1上，所述固定床架1的床头端由固定床腿101支撑，固定床架1的床尾端由伸缩机构102支撑，以上结构保证固定床架不动，伸缩机构仅仅是用来驱动活动床板2，详细描述如下：所述活动床板2的一端固定连接有床头筒201，床头筒上有挡肩板205和俯仰减速电机204，俯仰减速电机输出轴上连接有主动齿轮206，主动齿轮206与转筒305上的从动齿轮306啮合，活动床板2另一端的两侧带有平移滑杆202，在平移滑杆202上套有平移套筒203，平移套筒可沿平移滑杆滑动，活动床板2在固定床腿101处与固定床架1呈铰销连接，活动床板可绕铰销旋转，伸缩机构102的伸缩杆与平移套筒203呈铰销连接，所述的伸缩机构102可采用二级伸缩液压缸，活塞杆上升时，推动平移套筒沿平移滑杆方向移动，将活动床板顺利抬起，液压控制系统为液压缸提供动力，同时，采用同步控制回路保证床板两侧同时升起，采用平衡控制回路防止在身体和活动床板重力作用下活塞杆回缩。

活动头枕3与活动床板2一端的床头筒201铰销连接，所述的活动头枕3主要由头枕套301、呈椭圆弧形的头枕颈椎托板302、头枕转轴303、转轴锥齿轮304、转筒305、转动块307、摆动减速电机308、旋转减速电机309和输出锥齿轮310组成。与头枕转轴303连接的转筒305设置在床头筒201内，设置在床头筒201一端的俯仰减速电机204的输出轴连接的主动齿轮206与转筒305一端的从动齿轮306啮合，由俯仰减速电机驱动转筒305旋转并转化为活动头枕3的俯仰运动。在所述转筒305上设有水平的卡槽，在卡槽内设有转动块307，所述的转动块307上设有轴孔，活动头枕3的头枕转轴303设置在转动块307的轴孔中并具有伸出端，伸出端有转轴锥齿轮304啮合在旋转减速电机309输出轴上的输出锥齿轮310上，由旋转减速电机309带动头枕转轴303旋转，形成活动头枕沿头枕转轴的旋转运动。所述转动块307设有销轴3071，分别插入转筒305上对应的销孔3051中并伸出，销轴3071伸出端与固定在转筒下方的摆动减速电机308输出轴连接，由摆动减速电机308驱动转动块307在转筒305的水平槽中旋转，形成活动头枕3的左右摆动，本装置产生倾斜体位利用头部重量牵引颈椎，三个转动自由度的结构实现头部运动。

上述液压控制系统4包括一套液压控制站，有液压泵、油箱、同步控制回路、平衡回路及必要的控制阀、电气开关，对二级伸缩液压缸提供动力并进行同步控制和平衡控制，保证活动床板尾部同步抬升并防止在身体和活动床板重力作用下活塞杆回缩；上述机电控制系统5为一套精密运动控制系统，包括：三个步进电机下位单片机，产生控制指令；三个步进电机驱动器，发出脉冲信号；三个步进电机作为动力源；三个步进电机配套相应的减速器，经减速机减速后驱动头枕转动；下位单片机驱动程序；上位机以及控制主程序。

本发明中，上述活动床板可绕固定床腿处铰销转动，床板尾部可向上转动30度，从而形成头低脚高的仰卧或俯卧体位，颈椎可支撑在转筒上，头部在头枕下摆20度，没有支撑的情况下悬空，利用头部自重牵引颈椎。

所述的活动头枕为一个可托住头部的活动枕头，其具备三个转动自由度，根部的转筒插在活动床板的床头筒中，床头筒固定有俯仰减速电机，由步进电机与齿轮减速器组合而成，驱动转筒旋转，形成头枕的俯仰运动，在水平体位或头部自重牵引的体位下使颈椎做俯仰牵引；转筒开有水平卡槽，水平卡槽中有转动块，转动块上方和下方有销轴插入转筒上、下销孔中，转筒下方固定摆动减速电机，驱动转筒水平槽中的转动块在转筒中左右旋转，形成头枕的左右摆动，在水平体位或头部自重牵引的体位下使颈椎做摆动牵引；转动块开水平轴孔，转动块端部下方固定旋转减速电机，驱动转块水平轴孔中的活动头枕轴旋转，形成头枕的旋转运动，在水平体位或头部自重牵引的体位下使颈椎做旋转牵引；头枕设有过度弧线段，便于颈部贴合，两侧半包围附有弹性软垫，抱住头部，实现头部与头枕的相对固定，在头枕转动的时候头部跟着转动。头枕底部开有嘴鼻透气孔，便于俯卧位时嘴鼻的放置。 

Claims (3)

1.基于头部自重牵引原理的颈椎康复机器人，设有固定床架（1）、活动床板（2）和活动头枕（3），活动床板（2）设置在固定床架（1）上，所述固定床架（1）的床头端由固定床腿（101）支撑，固定床架（1）的床尾端由伸缩机构（102）支撑，其特征在于：

所述活动床板（2）的一端固定连接有床头筒（201），活动床板（2）另一端的两侧带有平移滑杆（202），在平移滑杆（202）上套有平移套筒（203），平移套筒可沿平移滑杆滑动，活动床板（2）在固定床腿（101）处与固定床架（1）呈铰销连接，活动床板可绕铰销旋转，伸缩机构（102）的伸缩杆与平移套筒（203）呈铰销连接；活动头枕（3）与活动床板（2）一端的床头筒（201）相连接，所述的活动头枕（3）包括头枕套（301）、头枕颈椎托板（302）和头枕转轴（303），与头枕转轴（303）连接的转筒（305）设置在床头筒（201）内，设置在床头筒（201）一端的俯仰减速电机（204）的动力输出轴与主动齿轮（206）连接，主动齿轮（206）与转筒（305）上的从动齿轮（306）啮合，通过俯仰减速电机（204）驱动转筒（305）形成活动头枕（3）的俯仰运动；在所述转筒（305）上设有水平的卡槽，在卡槽内设有转动块（307），所述的转动块（307）上设有轴孔，活动头枕（3）的头枕转轴（303）设置在转动块（307）的轴孔中并具有伸出端，伸出端连接的转轴锥齿轮（304）与旋转减速电机（309）输出轴上的输出锥齿轮（310）相啮合，由旋转减速电机（309）带动头枕转轴（303）旋转，形成活动头枕沿头枕转轴轴线旋转运动；在所述转动块（307）设有销轴（3071），销轴（3071）插入到转筒（305）上对应的销孔（3051）内并伸出，销轴（3071）伸出端与固定在转筒（305）下方的摆动减速电机（308）的输出轴连接，由摆动减速电机（308）驱动转动块（307）在转筒（305）的水平卡槽中旋转，形成活动头枕（3）的左右摆动。

2.根据权利要求1所述的基于头部自重牵引原理的颈椎康复机器人，其特征在于：所述的伸缩机构（102）为二级伸缩液压缸。

3.根据权利要求2所述的基于头部自重牵引原理的颈椎康复机器人，其特征在于：还设有液压控制系统（4）和机电控制系统（5）。