CN104586603B - 强度自适应的下肢关节康复训练器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强度自适应的下肢关节康复训练器，其能执行主动运动模式、主‑被动运动模式和被动运动模式这三种对下肢的关节的康复训练，包括第一压力传感器、驱动器和用于连接到下肢以和下肢一起运动的机械结构。第一压力传感器设置在机械结构上，用于测量下肢对机械结构施加的压力；驱动器与机械结构相连以驱动机械结构；第一压力传感器与控制模块相连，控制模块根据第一压力传感器的输出获得该压力；并据此指令驱动器驱动机械结构运动，执行相应的康复训练。本发明根据传感器实现对使用者肌肉恢复的判断，来改变机械结构的运行机制，实现从被动训练、半主动训练到完全主动训练，由此实现患者的被动‑半主动‑完全主动的训练康复过程。

Description

强度自适应的下肢关节康复训练器

技术领域

本发明涉及一种康复医疗器械，尤其涉及一种强度自适应的下肢关节康复训练器。

背景技术

长期制动、坐位工作、姿势异常、神经性肌肉挛缩、组织创伤所导致的炎症以及先天或后天畸形等因素皆会影响关节功能，造成关节活动度障碍。关节活动度障碍，尤其是因关节内外纤维组织挛缩或瘢痕粘连引起的关节活动度障碍，通常需要反复的关节活动度训练来展长缩短的关节周围软组织，恢复软组织的弹性。

目前，市场上已经存在很多持续被动训练器(CPM)，基本上涵盖的人体全部的关节部位，包括踝关节、肘关节、膝关节、胯关节等。

上肢的训练和下肢的训练在康复过程中是很重要的，但是目前的CPM机只是一种被动的康复手段，在康复初期能够帮助患者运动，锻炼肌肉群和关节，防止肌肉坏死等，但是随着康复程度的不断好转，CPM机所起的作用不是很明显，在康复后期，患者更需要的是自主的肌肉力量和关节活动的恢复性训练，也就是说从被动的肢体运动到主动的肢体运动。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种强度自适应的下肢关节康复训练器，实现对下肢关节从被动训练到主动训练的循序渐进的康复训练过程。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种强度自适应的下肢关节康复训练器，为使用者提供动运动模式的康复训练，并为使用者提供包括被动运动模式、主-被动运动模式和主动运动模式的循序渐进的康复训练过程。

为实现上述目的，本发明提供了一种强度自适应的下肢关节康复训练器，其特征在于，包括康复模块和控制模块；

所述康复模块包括第一压力传感器、驱动器和用于连接到下肢以和所述下肢一起运动的机械结构；所述第一压力传感器设置在所述机械结构上，用于测量所述下肢对所述机械结构施加的压力；所述驱动器与所述机械结构相连以驱动所述机械结构；

所述第一压力传感器的输出端与所述控制模块的输入端相连，所述控制模块根据所述第一压力传感器的输出获得所述压力；所述控制模块的输出端与所述驱动器的输入端相连，以指令所述驱动器运动；

所述下肢关节康复训练器对所述下肢的关节的康复训练的模式包括主动运动模式；在所述主动运动模式下，所述下肢主动运动，所述控制模块指令所述驱动器驱动所述机械结构以抵抗所述下肢的主动运动。

进一步地，所述驱动器包括驱动电机和由所述驱动电机驱动的气缸，所述气缸与所述机械结构相连，所述控制模块指令所述驱动电机驱动所述气缸，所述气缸带动所述机械结构。

进一步地，还包括第二压力传感器，所述第二压力传感器设置在所述气缸中，用于测量所述气缸的气压；所述第二压力传感器的输出端与所述控制模块的输入端相连，所述控制模块根据所述第二压力传感器的输出获得所述气缸的气压以获得所述气缸对所述机械结构施加的作用力；在所述主动运动模式下，所述气缸对所述机械结构施加所述作用力以使所述机械结构抵抗所述下肢的运动。

进一步地，所述机械结构包括大腿杆件、小腿杆件、大腿托板、小腿托板、腿杆调节器、可伸缩连杆和底板，所述大腿杆件的第二端和所述小腿杆件的第一端分别与所述腿杆调节器连接且能绕所述腿杆调节器转动，所述大腿杆件的第一端通过铰链连接于所述底板上；在所述大腿杆件的第一端处，所述气缸固定在所述底板上并和所述可伸缩连杆的第一端相连以驱动所述可伸缩连杆伸长或缩短；所述小腿杆件的第二端通过铰链连接于所述可伸缩连杆的第二端，所述小腿杆件的第二端处设置有滚轮；所述大腿托板固定在所述大腿杆件上，用于支撑所述下肢的大腿部分；所述小腿托板固定在所述小腿杆件上，用于支撑所述下肢的小腿部分；所述腿杆调节器用于调节所述大腿杆件和所述小腿杆件的长度；所述可伸缩连杆设置在所述地板上，可沿平行于所述底板的方向伸长或缩短；当所述可伸缩连杆伸长或缩短时，所述滚轮在所述底板上滚动；所述第一压力传感器设置在所述小腿托板上，用于测量所述小腿部分对所述小腿托板的压力。

进一步地，所述大腿杆件和所述小腿杆件皆为可伸缩的铝制直杆。

进一步地，所述下肢关节康复训练器对所述下肢的关节的康复训练的模式还包括被动运动模式；在所述被动运动模式下，所述下肢不做主动运动，所述控制模块指令所述驱动器驱动所述机械结构以带动所述下肢运动。

进一步地，所述下肢关节康复训练器对所述下肢的关节的康复训练的模式还包括主-被动运动模式；在所述主-被动运动模式下，所述控制模块根据所述下肢对所述机械结构施加的压力判断所述下肢是否在做主动运动；

当所述判断的结果是所述下肢在做主动运动时，所述控制模块指令所述驱动器驱动所述机械结构以阻碍所述下肢的主动运动；当所述判断的结果是所述下肢不在做主动运动时，所述控制模块指令所述驱动器驱动所述机械结构以带动所述下肢运动。

进一步地，还包括与所述控制模块相连输入/输出模块，用于向所述控制模块输入指令以选择所述下肢关节康复训练器对所述下肢的关节的康复训练的模式，以及用于显示被选择的所述下肢关节康复训练器对所述下肢的关节的康复训练的模式。

可选地，所述输入/输出模块为触摸显示屏，所述控制模块为处理单元。

可选地，所述控制模块为单片机。

由此可见，本发明提供了一种强度自适应的下肢关节康复训练器，其是一种康复器材，是对传统的CPM康复器的改进。本发明实现了从被动训练到主动训练的循序渐进过程，其可以根据其中的传感器实现对使用者肌肉恢复的判断，来改变机械结构的运行机制，实现从被动训练、半主动训练到完全主动训练，由此实现患者的被动-半主动-完全主动的训练康复过程，帮助手术后关节迅速恢复其活动，最终关节能活动自如，同时减轻人工劳动强度，对患者的关节运动幅度和能力的保护和恢复。本发明具有智能性，具体体现在，其能够根据病人的康复情况，自主判断，更改康复锻炼策略，让患者能够更加有效的康复训练，减少无用的冗余重复运动，节省康复时间，尽早痊愈。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1显示了在一个较佳的实施例中，本发明的强度自适应的下肢关节康复训练器的结构框图。

图2显示了图1所示的本发明的强度自适应的下肢关节康复训练器中的机械结构。

图3显示了图2所示的机械结构的应用。

图4显示了图1所示的本发明的强度自适应的下肢关节康复训练器的控制模块和康复模块之间的信号传递过程。

图5显示了在一个较佳的实施例中，本发明的强度自适应的下肢关节康复训练器的输入/输出模块的面板。

具体实施方式

本发明的强度自适应的下肢关节康复训练器对下肢的关节的康复训练的模式包括主动运动模式、主-被动运动模式和被动运动模式这三种运动模式。如图1所示，在一个较佳的实施例中，本发明的强度自适应的下肢关节康复训练器包括依次相连的输入/输出模块、控制模块和康复模块，其中输入/输出模块供使用者由此输入指令以选择上述三种运动模式中的一种；控制模块接收到使用者的指令后，指令康复模块对使用者的下肢的关节执行相应的康复训练；康复模块同时测量康复训练中的使用者的训练参数并将其发送给控制模块，以供控制模块根据这些参数调整其发送给康复模块的指令；另外，控制模块还可以指令输入/输出模块输出被选择的运动模式，以供使用者查看。

具体地，本实施例中应用了具有触摸显示屏的计算机，其触摸显示屏作为输入/输出模块，其处理单元作为控制模块。另外，也可以使用独立的单片机作为控制单元。

本实施例中，康复模块包括第一压力传感器、第二压力传感器、驱动器和机械结构10。如图2所示，驱动器包括驱动电机和由驱动电机驱动的气缸2，气缸2与机械结构10相连，控制模块指令驱动电机驱动气缸2，气缸2带动机械结构10，机械结构10用于连接到使用者的下肢以和下肢一起运动。机械结构10和下肢一起运动的模式对应于选定的康复训练的模式，具体地为：当选定的康复训练的模式为主动运动模式时，使用者的下肢做主动运动，机械结构10用于抵抗下肢的主动运动；当选定的康复训练的模式为被动运动模式时，使用者的下肢不做主动运动，机械结构10用于带动下肢的运动；当选定的康复训练的模式为主-被动运动模式时，控制模块根据使用者的训练参数判断其下肢是否在做主动运动，当判断其在做主动运动时，即指令机械结构10抵抗下肢的主动运动，当判断其不在做主动运动时，即指令机械结构10带动下肢运动。

如图2所示，机械结构10包括大腿杆件3、小腿杆件9、大腿托板4、小腿托板6、腿杆调节器5、可伸缩连杆7和底板1。大腿杆件3为两根平行的可伸缩的铝制直杆，大腿托板4固定在这两根直杆之间；小腿杆件9为两根平行的可伸缩的铝制直杆，小腿托板6固定在这两根直杆之间；腿杆调节器5为两个，用于调节大腿杆件3和小腿杆件9的长度；大腿杆件3的两根直杆的一端通过铰链固定在底板1上，另一端和小腿杆件9的两根直杆的一端分别地与两个腿杆调节器5连接且能绕相连的腿杆调节器5转动；在大腿杆件3与底板1的连接处，两个气缸2固定在底板1上，两个气缸2的活塞和两个可伸缩连杆7的一端相连以驱动该可伸缩连杆7在沿平行于底板1的方向上伸长或缩短；小腿杆件9的两根直杆的另一端通过铰链连接于两个可伸缩连杆7的另一端，在两个小腿杆件9与可伸缩连杆7的连接处设置有两个滚轮8；当可伸缩连杆7伸长或缩短时，滚轮8在底板1上滚动。

对下肢的关节进行康复训练时，下肢的大腿部分固定在大腿托板4上，小腿部分固定在小腿托板6上，根据实际大腿部分和小腿部分的长度调节大腿杆件3和小腿杆件9的长度。当下肢在机械结构3上固定好后，其侧面如图3的示意图所示，其中髋关节在A处(对应大腿杆件3与底板1的连接处)，膝关节在B处(对应腿杆调节器5处)，脚踝在C处(对应滚轮8处)。在进行康复训练时，随着可伸缩连杆7的伸长和缩短，A处不动，C处向右和向左移动，B处向下和向上移动，AB与BC间的夹角增大和减小。

第一压力传感器和第二压力传感器的输出端分别连接到控制模块的一个输入端。其中，第一压力传感器设置在小腿托板6上，用于测量使用者的下肢的小腿部分在运动中对小腿托板6的压力。该压力作为使用者的训练参数，体现了使用者的康复程度。一般地，使用者康复程度越好，其小腿能对小腿托板6施加的压力越大。第二压力传感器设置在气缸2中，用于测量气缸2的气压，该气压值对应于该气缸对机械结构10施加的作用力，即机械结构10带动或抵抗使用者的下肢的活动的作用力，其体现了锻炼强度。一般地，气压值越大，锻炼强度越大。

控制模块内存储有第一压力传感器获取的压力值、康复程度和锻炼强度的对应关系，本实施例中该对应关系具体地表示为如下表格：

压力传感器	康复程度	锻炼强度
			0	0	0
1	1	1
			2	2	2
3	3	3

在本实施例中，使用者的康复程度分为4级：0级、1级、2级和3级，相应地，其下肢对机械结构3的压力也为4级：0级、1级、2级和3级，相应地，其下肢适合的锻炼强度也为4级：0级、1级、2级和3级。其中，康复程度为0级时表明其完全未康复，不适合做主动运动，对应地下肢对机械结构3的压力为0级(例如，不大于5N)，对应地适合的锻炼强度为0级(被动运动模式，气缸2不通过机械结构3对下肢施加抵抗其运动的作用力)；康复程度为1级时表明其略有未康复，适合稍做主动运动，对应地下肢对机械结构3的压力为1级(例如，大于5N且不大于20N)，对应地适合的锻炼强度为1级(主-被动运动模式，例如，气缸2通过机械结构3对下肢施加抵抗其运动的作用力为10N)；康复程度为2级时表明其基本康复，适合多做主动运动，对应地下肢对机械结构3的压力为2级(例如，大于20N且不大于40N)，对应地适合的锻炼强度为2级(主-被动运动模式，例如，气缸2通过机械结构3对下肢施加抵抗其运动的作用力为20N)；康复程度为3级时表明其完全康复，适合做主动运动，对应地下肢对机械结构3的压力为3级(例如，大于40N)，对应地适合的锻炼强度为3级(主动运动模式，例如，气缸2通过机械结构3对下肢施加抵抗其运动的作用力为30N)。

实际使用时，控制模块可以根据测量得到的下肢对机械结构3的压力，通过上表，判断使用者的康复程度，并相应地设定适合该使用者的锻炼强度。例如，当第一传感器测得使用者的下肢的小腿部分对小腿托板6的压力为15N，控制模块判断其康复程度为1级，由此为其设定1级的锻炼强度，即主-被动运动模式，其中做被动运动时气缸2通过机械结构3对下肢施加抵抗其运动的作用力为10N。具体地如图4示出的控制模块和康复模块之间的信号传递过程：其中的第一压力传感器获取对应于下肢对机械结构3的压力的电信号，该电信号通过模/数转换后进入控制模块；控制模块由此获得下肢对机械结构3的压力并确定相应的锻炼强度，即设定气缸2通过机械结构3对下肢施加的作用力；控制模块发出相应的电信号，该电信号经过数/模转换后通过气动阀到达驱动电机，驱动电机根据该电信号相应地驱动机械结构3，使机械结构3对下肢施加该作用力。同时第二压力传感器测量气缸2中的气压，并将相应的电信号传送给控制模块，控制模块可以相应地调节其输出的电信号以使机械结构3对下肢施加的作用力为确定的大小。

实际使用时使用者还可以自己选择康复训练的模式。如图5中的输入/输出模块的面板所示，该输入/输出模块在模式选择区域具有3个按钮11、12和13，对应三个康复训练模式。当按下按钮11，本发明的强度自适应的下肢关节康复训练器对下肢的关节的康复训练的模式为被动运动模式；当按下按钮12，康复训练的模式为主-被动运动模式；当按下按钮13，康复训练的模式为主动运动模式。另外，使用者还可以通过该输入/输出模块设定锻炼强度和锻炼时间，并分别地显示在面板上的锻炼强度区域和锻炼时间区域以供使用者查看。其中设定锻炼强度是选择锻炼强度的级别(前述的0级、1级、2级和3级)；设定锻炼时间是设定进行康复训练的时间，例如，15分钟。较佳地，本发明的强度自适应的下肢关节康复训练器具有提醒功能，其指示灯在设定的锻炼时间即将结束的前15s会闪烁进行提醒。该输入/输出模块在康复程度区域用于显示控制模块根据测量得到的下肢对机械结构3的压力通过前表判断获得的使用者的康复程度。该输入/输出模块上还设置有电源按键，使用者触按电源按键可随时停止/启动本发明的强度自适应的下肢关节康复训练器运行。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种强度自适应的下肢关节康复训练器，其特征在于，包括康复模块和控制模块；

所述康复模块包括第一压力传感器、驱动器和用于连接到下肢以和所述下肢一起运动的机械结构；所述第一压力传感器设置在所述机械结构上，用于测量所述下肢对所述机械结构施加的压力；所述驱动器与所述机械结构相连以驱动所述机械结构，其中所述驱动器包括驱动电机和由所述驱动电机驱动的气缸，所述气缸与所述机械结构相连，所述控制模块指令所述驱动电机驱动所述气缸，所述气缸带动所述机械结构；

所述第一压力传感器的输出端与所述控制模块的输入端相连，所述控制模块根据所述第一压力传感器的输出获得所述压力；所述控制模块的输出端与所述驱动器的输入端相连，以指令所述驱动器运动，其中还包括第二压力传感器，所述第二压力传感器设置在所述气缸中，用于测量所述气缸的气压；所述第二压力传感器的输出端与所述控制模块的输入端相连，所述控制模块根据所述第二压力传感器的输出获得所述气缸的气压以获得所述气缸对所述机械结构施加的作用力；

所述下肢关节康复训练器对所述下肢的关节的康复训练的模式包括主动运动模式；在所述主动运动模式下，所述下肢主动运动，所述控制模块指令所述驱动器驱动所述机械结构以抵抗所述下肢的主动运动；

在所述主动运动模式下，所述气缸对所述机械结构施加所述作用力以使所述机械结构抵抗所述下肢的运动；

其中所述下肢关节康复训练器对所述下肢的关节的康复训练的模式还包括被动运动模式；在所述被动运动模式下，所述下肢不做主动运动，所述控制模块指令所述驱动器驱动所述机械结构以带动所述下肢运动；

其中所述下肢关节康复训练器对所述下肢的关节的康复训练的模式还包括主-被动运动模式；在所述主-被动运动模式下，所述控制模块根据所述下肢对所述机械结构施加的压力判断所述下肢是否在做主动运动；

当所述判断的结果是所述下肢在做主动运动时，所述控制模块指令所述驱动器驱动所述机械结构以抵抗所述下肢的主动运动；当所述判断的结果是所述下肢不在做主动运动时，所述控制模块指令所述驱动器驱动所述机械结构以带动所述下肢运动；

所述控制模块内存储有第一压力传感器获取的压力值、康复程度和锻炼强度的对应关系，所述康复程度分为4级：0级、1级、2级和3级，所述康复程度为0级时表明其完全未康复，不适合做主动运动，所述康复程度为1级时表明其略有未康复，适合稍做主动运动，所述康复程度为2级时表明其基本康复，适合多做主动运动，所述康复程度为3级时表明其完全康复，适合做主动运动。

2.如权利要求1所述的强度自适应的下肢关节康复训练器，其中所述机械结构包括大腿杆件、小腿杆件、大腿托板、小腿托板、腿杆调节器、可伸缩连杆和底板，所述大腿杆件的第二端和所述小腿杆件的第一端分别与所述腿杆调节器连接且能绕所述腿杆调节器转动，所述大腿杆件的第一端通过铰链连接于所述底板上；在所述大腿杆件的第一端处，所述气缸固定在所述底板上并和所述可伸缩连杆的第一端相连以驱动所述可伸缩连杆伸长或缩短；所述小腿杆件的第二端通过铰链连接于所述可伸缩连杆的第二端，所述小腿杆件的第二端处设置有滚轮；所述大腿托板固定在所述大腿杆件上，用于支撑所述下肢的大腿部分；所述小腿托板固定在所述小腿杆件上，用于支撑所述下肢的小腿部分；所述可伸缩连杆设置在所述底板上，可沿平行于所述底板的方向伸长或缩短；当所述可伸缩连杆伸长或缩短时，所述滚轮在所述底板上滚动；所述第一压力传感器设置在所述小腿托板上，用于测量所述小腿部分对所述小腿托板的压力。

3.如权利要求2所述的强度自适应的下肢关节康复训练器，其中所述大腿杆件和所述小腿杆件皆为可伸缩的铝制直杆。

4.如权利要求3所述的强度自适应的下肢关节康复训练器，其中还包括与所述控制模块相连的输入/输出模块，用于向所述控制模块输入指令以选择所述下肢关节康复训练器对所述下肢的关节的康复训练的模式，以及用于显示被选择的所述下肢关节康复训练器对所述下肢的关节的康复训练的模式。

5.如权利要求4所述的强度自适应的下肢关节康复训练器，其中所述输入/输出模块为触摸显示屏，所述控制模块为处理单元。

6.如权利要求4所述的强度自适应的下肢关节康复训练器，其中所述控制模块为单片机。