CN104887458B - 一种人体上肢功能自动辅助恢复设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体上肢功能自动辅助恢复设备，包括控制系统以及两个相对设置的人体上肢辅助恢复装置；所述人体上肢辅助恢复装置固定在座椅上，所述控制系统用于对所述人体上肢辅助恢复装置的运转自动控制；每个所述人体上肢辅助恢复装置包括有肩关节侧展单元、肩关节屈伸单元与肘关节屈伸单元。本发明能够实现三个自由度的控制配合使用，能够通过程序设定更加专业的康复训练动作，从而实现对上肢不便的患者进行更好的训练。

Description

一种人体上肢功能自动辅助恢复设备

技术领域

本发明属于医疗辅助康复器械技术领域，具体涉及一种人体上肢功能自动辅助恢复设备。

背景技术

当前，并没有太多针对于中风、长期卧床等上肢肌肉萎缩而失去运动能力的上肢康复训练设备。而在已有的设备中，主要有两类产品：一类是牵引型康复设备，另一类是座椅型的人工辅助康复设备。

在当前所应用的这两类设备中，牵引类的只能进行单一的运动，即只能进行简单的恢复动作。同时牵引类的恢复设备所针对的适用人群仅限于肌肉损伤较少，仍然可以进行运动的患者。因此适用范围有限。

而座椅型康复设备尽管相对于牵引类设备而言，其适用的人群更广泛，但却不能进行自主运动，而且关节自由度较低。因此，仍然不能实现全功能的上肢康复自由度要求。

上述两种器具，在整个康复训练的过程中均需要由其他人辅助进行动作。不仅消耗人力，使用过程复杂，而且不能很好地控制康复动作及运动量。而且当前的这两类设备均为纯机械结构的设备，整个设备只有很少的自动化系统加入，因此，自动化程度较低。

总之，当前上肢康复训练设备自动化程度较低，康复效果不尽理想。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种人体上肢功能自动辅助恢复设备，其通过模拟人体上肢的关节运动进行康复训练，能够有效地帮助瘫痪患者进行避免上肢功能丧失和上肢肌肉康复训练。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种人体上肢功能自动辅助恢复设备，包括控制系统以及两个相对设置的人体上肢辅助恢复装置；所述人体上肢辅助恢复装置固定在座椅上，所述控制系统用于对所述人体上肢辅助恢复装置的运转自动控制；每个所述人体上肢辅助恢复装置包括有肩关节侧展单元、肩关节屈伸单元与肘关节屈伸单元；

所述肩关节侧展单元包括具有限位功能的肩关节侧展推杆，所述肩关节侧展推杆安装在肩关节背部连接板上，通过肩关节传动连接件连接所述肩关节屈伸单元；所述肩关节屈伸单元连接所述肘关节屈伸单元；所述肩关节侧展推杆通过伸缩运动带动所述肩关节屈伸单元、肘关节屈伸单元动作实现在第一自由度范围内进行伸展；

所述肩关节屈伸单元包括肩关节屈伸舵机、肩关节上臂连接板；所述肩关节屈伸舵机经肩关节屈伸传动部件连接所述肩关节上臂连接板，带动所述肩关节上臂连接板在肩关节屈伸限位保护器限制下在第二自由度范围内屈伸运动；所述肩关节屈伸舵机连接所述肩关节传动连接件；

所述肘关节屈伸单元包括肘关节屈伸舵机、肘关节小臂连接板；所述肘关节屈伸舵机通过肘关节屈伸传动件连接所述肘关节小臂连接板，驱动所述肘关节小臂连接板在肘关节限位保护器限定下在第三自由度范围内屈伸运动；所述肘关节屈伸单元通过肘关节屈伸舵机固定板连接所述肩关节屈伸单元。

所述肘关节限位保护器限制所述肘关节小臂连接板的屈伸角度范围为0-90°，所述肩关节屈伸限位保护器限制的屈伸角度范围为0-120°，所述肩关节侧展推杆可推动所述肩关节屈伸单元与肘关节屈伸单元在0-90°范围内动作。

所述肘关节限位保护器包括一肘关节限位保护板，所述肘关节限位保护板上设有弧形的肘关节限位保护孔；所述肘关节屈伸传动件包括有一个肘关节屈伸限位杆，所述肘关节屈伸限位杆上安装角度传感器，所述肘关节屈伸限位杆装在所述肘关节限位保护孔内；所述肩关节屈伸限位保护器包括一肩关节限位保护板，所述肩关节限位保护板上设有弧形的肩关节限位保护孔；所述肩关节屈伸传动部件包括有一个肩关节屈伸限位杆，所述肩关节屈伸限位杆上安装角度传感器，所述肩关节屈伸限位杆装在所述肩关节限位保护孔内。

所述肩关节传动连接件包括第一连接件、第二连接件、第三连接件；所述第三连接件为一L形板，所述第一连接件包括U形部，所述U形部与所述肩关节侧展推杆活动连接，所述U形部的底部通过一连接部与所述第三连接件位置可调节固定；所述第二连接件为L形状的转动件，一端与所述连接部连接，另一端与所述肩关节背部连接板连接固定；在所述肩关节侧展推杆带动下，所述第一连接件可绕所述第二连接件旋转动作。

所述肘关节小臂连接板、肩关节上臂连接板分别连接小臂弧形支撑板、上臂弧形支撑板。

所述小臂弧形支撑板、上臂弧形支撑板上设有束缚带。

所述束缚带上设有按摩震动电机。

所述控制系统包括遥控器以及单片机控制器，所述单片机控制器与舵机控制单元相连接，所述舵机控制单元与所述肩关节屈伸舵机、肘关节屈伸舵机电连接；所述遥控器与所述单片机控制器连接，实现对所述人体上肢辅助恢复装置的遥控操作控制。

所述单片机控制器连接用于在所述人体上肢辅助恢复装置运转出现异常时进行报警的声音报警器、用于向外部监控设备无线发送运动康复数据及报警信息数据的无线发送装置以及用于实现人机交互功能的显示屏。

两个所述人体上肢辅助恢复装置分别通过所述肩关节背部连接板相对安装固定在所述座椅上。

本发明能够实现三个自由度的控制配合使用，能够通过程序设定更加专业的康复训练动作，从而实现对上肢不便的患者进行更好的训练。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一个人体上肢辅助恢复装置的后视结构示意图；

图2所示为本发明实施例提供的一个人体上肢辅助恢复装置的主视结构示意图；

图3所示为肩关节侧展推杆与肩关节传动连接件的连接示意图；

图4所示为肩关节屈伸单元的放大示意图；

图5所示为肘关节屈伸单元的放大示意图；

图6所示为肘关节屈伸单元的肘关节限位保护器的示意图；

图7所示为肩关节屈伸单元的肩关节限位保护器的示意图；

图8-1及8-2所示分别为肩关节屈伸单元的肩关节屈伸传动部件的主视以及侧视图；

图9-1及9-2所示为肘关节屈伸单元的肘关节屈伸传动部件的主视以及侧视图；

图10所示为本发明机械运动各种状态与人体上肢运动的对应说明；

图11所示为控制系统的部分控制流程图。

具体实施方式

下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

请参阅图1～10所示，一种人体上肢功能自动辅助恢复设备，包括控制系统以及分别对应于人体左、右臂的两个人体上肢辅助恢复装置；所述人体上肢辅助恢复装置固定在座椅上，所述控制系统用于对两上所述人体上肢辅助恢复装置的运转或运行进行自动控制；每个所述人体上肢辅助恢复装置包括有肩关节侧展单元、肩关节屈伸单元与肘关节屈伸单元；

其中，所述肩关节侧展单元包括具有限位功能的肩关节侧展推杆1、肩关节背部连接板2；所述肩关节侧展推杆1固定在肩关节背部连接板2上，所述肩关节侧展推杆1通过一组肩关节传动连接件连接肩关节屈伸单元，所述肩关节屈伸单元连接所述肘关节屈伸单元，所述肩关节屈伸单元与所述肘关节屈伸单元连接构成一个所述人体上肢辅助恢复装置；所述肩关节侧展推杆1通过伸缩运动利用杠杆原理，实现驱动所述人体上肢辅助恢复装置的肩关节屈伸单元与肘关节屈伸单元动作，实现在第一自由度范围内进行伸展，从而实现带动放置在人体上肢辅助恢复装置中的手臂做相应的伸展运动；

其中，所述肩关节屈伸单元包括肩关节屈伸舵机(包括舵机减速机17、舵机电机7)、肩关节上臂连接板8；所述肩关节屈伸舵机经肩关节屈伸传动部件15连接所述肩关节上臂连接板8，带动所述肩关节上臂连接板8在肩关节屈伸限位保护器6限制的旋转角度范围，在第二自由度范围内屈伸运动；所述肩关节屈伸舵机经过舵盘与所述肩关节传动连接件连接；所述肩关节屈伸限位保护器6设在所述肩关节屈伸舵机与肩关节屈伸传动部件15之间，所述肩关节屈伸传动部件15连接有肩关节屈伸限位杆20，所述肩关节屈伸限位杆20上设有角度传感器(未示出)；

所述肘关节屈伸单元包括肘关节屈伸舵机(包括肘关节屈伸舵机减速机18以及肘关节屈伸舵机电机9)、肘关节小臂连接板11；所述肘关节屈伸舵机通过肘关节屈伸传动件16连接所述肘关节小臂连接板11，驱动所述肘关节小臂连接板在肘关节限位保护器10限定的屈伸角度在第三自由度范围内屈伸运动，自由屈伸；所述肘关节限位保护器10连接所述肘关节屈伸舵机，所述肘关节小臂连接板11具有一个肘关节小臂连接板转动限位杆14，所述肘关节限位保护器10安装在所述肘关节屈伸舵机的外侧，与所述肘关节小臂连接板11的肘关节小臂连接板转动限位杆14相连接，所述肘关节小臂连接板转动限位杆14上设有角度传感器(未示出)，所述肘关节屈伸传动件16通过连接板22连接肘关节屈伸舵机安装板21，肘关节屈伸舵机安装板21上安装肘关节屈伸舵机。

本发明采用两个舵机、一个推杆控制，通过每个单臂上肢、肩部两个垂直自由度，肘部一个自由度，实现仿人体上肢的自由度动作，能够对上肢患者起到康复训练的效果，连接电源并启动之后便可以进行上肢康复训练。

具体的，本发明通过上述的技术方案，可以实现手臂的屈肘运动、平伸前臂、屈肘上抬、屈肘外扩以及平伸外扩等仿人体运动方式的多种动作状态，如图10所示，从而通过仿人体运动的方式，实现对人体上肢的辅助恢复训练，达到人体上肢的辅助恢复训练的目的。

其中，所述肘关节限位保护器限制所述肘关节小臂连接板的屈伸角度范围为0-90°，所述肩关节屈伸限位保护器限制的屈伸角度范围为0-120°，所述肩关节侧展推杆可推动所述肩关节屈伸单元与肘关节屈伸单元在0-90°范围内动作。

具体实现上，所述肩关节限位保护器6包括一肩关节限位保护板，所述肩关节限位保护板上设有弧形的肩关节限位保护孔61，所述肩关节屈伸限位杆20的端部设有两个限位环21，并形成限位槽22，通过所述限位槽22装在所述肩关节限位保护孔61中进行机械限位；所述轴关节限位保护器10包括一轴关节限位保护板，所述轴关节限位保护板上设有弧形的轴关节限位保护孔101，所述肘关节小臂连接板转动限位杆14的端部设有由两个限位环141形成的限位槽142，通过该限位槽142装在所述肘关节限位保护孔101中实现机械限位。通过在每一人体上肢辅助恢复装置的肩部和肘部添加上述的限位保护器，通过其限位保护孔或槽来限制其活动范围，保证设备在运动的过程中不会产生超出人体动作范围的康复动作。

作为一实施例，所述肩关节传动连接件包括第一连接件3、第二连接件4、第三连接件5；所述第三连接件5为一L形板，所述第一连接件3包括U形部，所述U形部与所述肩关节侧展推杆1活动连接(具体为通过一个转动轴)，所述U形部的底部通过一连接部与所述第三连接件5位置可调节固定；所述第二连接件4为转动轴，其为L形状，其一端与所述第一连接件3的连接部活动连接，另一端与所述肩关节背部连接板2连接固定，从而实现所述第一连接件3在所述肩关节侧展推杆1的伸缩运动下，绕所述第二连接件4进行相应动作，从而驱动一侧的人体上肢辅助恢复装置相应动作，继而实现通过两个转动轴带动手臂做伸展运动。

作为一实施例，所述肘关节小臂连接板11、肩关节上臂连接板8分别连接小臂弧形支撑板13、上臂弧形支撑板12。

具体实现上，所述小臂弧形支撑板13、上臂弧形支撑板12上设有束缚带19，可有效避免手臂自所述小臂弧形支撑板、上臂弧形支撑板滑出。

进一步的，所述束缚带19上设有按摩震动电机。本发明通过所述束缚带19上安装按摩震动电机，可以进行手臂的按摩，促进血液循环。该按摩震动电机可采用PWM调速，以便达到更好的恢复效果。

作为一实施例，所述控制系统包括遥控器以及单片机控制器，所述单片机控制器与舵机控制单元相连接，所述舵机控制单元与所述肩关节屈伸舵机、肘关节屈伸舵机电连接；所述遥控器与所述单片机控制器连接，实现对所述人体上肢辅助恢复装置的遥控操作控制。

作为一实施例，所述单片机控制器连接用于在所述人体上肢辅助恢复装置运转出现异常时进行报警的声音报警器、用于向外部监控设备无线发送运动康复数据及报警信息数据的无线发送装置以及用于实现人机交互功能的显示屏。

需要说明的是，所述显示屏可采用高亮度LED液晶显示屏，所述声音报警器可采用大功率扬声器，与所述显示屏整合连接在一起，从而在达到设定的训练时间或出现异常时能有效地提醒医疗工作者。液晶显示屏可以更好地实现人机交换功能，如设定训练时间以及控制舵机的运动，当然也可以采用其它显示屏，如LCD显示屏。

本发明在控制系统方面，通过采取高性能舵机控制器与单片机串联的方式进行设备的运动控制以及报警、监测、动作切换等，参见图11所示，所述控制系统在控制时，在启动设备后，在设备动作过程中，按预设的各关节的转动角度范围值，监测人体上肢各关节的转动角度，将实时监测到的人体上肢转动角度或屈伸角度与人体上肢极限角度值进行比较，当实时监测的角度在人体安全上肢极限角度或尺寸内，则继续进行上肢恢复训练动作，否则报警器进行报警，上肢恢复设备停止运动。该功能配合机械限位的结构设计，形成了对运动极限位置限定的机械结构和程序控制(硬软)双重保护。

具体实现上，两个所述人体上肢辅助恢复装置通过所述的肩关节背部连接板相对安装固定在座椅上。这样就使得整个设备的硬件全部固定于座椅之上，将设备依托在一个座椅进行工作，给患者更加舒适的体验，且占地面积小。

另外，考虑到不同患者的不同情况，在相应的连接件上，如第三连接件5，肘关节小臂连接板11、肩关节上臂连接板8，打出了更多的调节孔，使得能够根据不同的需要来调节小臂和大臂的长度，满足不同的需要。在肩部的设计中也设计了可调的工件，可以进行细微调节，且通过遥控便可以自动调节。

由于上肢辅助恢复设备要有足够的强度，才能够承受人体手臂的压力和拉力。因而在选材方面采用强度较高的铝板，在上肢固定的地方，即小臂弧形支撑板13、上臂弧形支撑板12采用有机玻璃板，让有机玻璃板弯折一个弧度，该弧度符合人体上肢的生理弧度，在紧固手臂后使患者没有不适感。

在使用时，病人在他人的协助下将双臂通过束带固定于恢复器械上，之后的康复训练工作就可以自己一个人进行了。接通电源便可执行预先设计好的康复动作。在启动之后，可通过遥控器进行动作调整，此过程可由患者自行调整或其他监护人员根据恢复计划进行调整。在结束训练时，需通过他人先切断电源，之后将束带从病人上肢部位拆下，方可完成一次康复训练。为避免不可预料的意外情况发生，在进行康复治疗的初期过程中，需在他人的监护和指导下进行。

本发明设备在进行工作时，通过控制系统对舵机进行控制，协调两个舵机以及推杆的动作，能够实现三个自由度的控制。通过控制系统的程序进行编程，采集相关康复训练动作的数据，实现预先设计的康复方案。

本发明臂肩部结构通过两个转轴的组合运动实现了与人体肩部相同的运动方式，由此较好地实现了与人体肩部的同轴问题，能实现粗调和微调，适应性更强。同时，整套设备通过先进的舵机控制单元与单片机控制器进行整套系统的控制，实现了高度的自动化恢复过程。

本发明设备通过设计仿人体上肢结构的多自由度机械臂，并将人体上肢固定在设备上来带动人体上肢进行多维度的运动，从而实现上肢辅助康复治疗的效果。

与现有设备相比，本发明具有以下的优点及效果：

1、能够实现更全面的上肢恢复动作。相对于现有设备而言，能够进行更多组合的上肢康复运动，提供更好的康复效果。

2、能够实现自主运动。相对于现有设备而言，在极大减少医护人员的工作量同时，提供了更多的康复治疗时间。

3、能够实现康复运动的运动量的精确控制。相对于现有设备而言，能够更好的控制运动量，优化治疗过程，避免因运动过度造成二次伤害或因运动量不足而不能达到很好的恢复效果。

4、使用方便。相对于现有设备而言，只需将病人上肢通过束带固定于设备之上，然后起动电源便可，无需进行其他繁琐的设置，简化了训练过程。

5、可通过无线遥控更换康复动作。通过在治疗过程中不断地实时调整康复动作，可以实现更好的康复疗效

6、在软硬件两方面进行了极限位置限制。通过在软件中添加极限溢出与在硬件中添加极限限位，为患者在康复过程中的安全提供了双重保护。

7、设备可通过WIFI、蓝牙的无线通讯方式进行无线连接，实现实时地将病人的康复状态、运动量等传输到监控设备，从而实现对于康复过程的远程实时监控和康复过程的自动记录。

8、自带意外报警系统。当发生意外状况时，设备可自动发出警报并将警报信息发送到监控设备。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (9)

1.一种人体上肢功能自动辅助恢复设备，其特征在于，包括控制系统以及两个相对设置的人体上肢辅助恢复装置；所述控制系统用于对所述人体上肢辅助恢复装置的运转自动控制；每个所述人体上肢辅助恢复装置包括有肩关节侧展单元、肩关节屈伸单元与肘关节屈伸单元；

所述肩关节侧展单元包括具有限位功能的肩关节侧展推杆，所述肩关节侧展推杆安装在肩关节背部连接板上，通过肩关节传动连接件连接所述肩关节屈伸单元；所述肩关节屈伸单元连接所述肘关节屈伸单元；所述肩关节侧展推杆通过伸缩运动带动所述肩关节屈伸单元、肘关节屈伸单元动作实现在第一自由度范围内进行伸展；

所述肩关节屈伸单元包括肩关节屈伸舵机、肩关节上臂连接板；所述肩关节屈伸舵机经肩关节屈伸传动部件连接所述肩关节上臂连接板，带动所述肩关节上臂连接板在肩关节屈伸限位保护器限制下在第二自由度范围内屈伸运动；所述肩关节屈伸舵机连接所述肩关节传动连接件；

所述肘关节屈伸单元包括肘关节屈伸舵机、肘关节小臂连接板；所述肘关节屈伸舵机通过肘关节屈伸传动件连接所述肘关节小臂连接板，驱动所述肘关节小臂连接板在肘关节限位保护器限定下在第三自由度范围内屈伸运动；所述肘关节屈伸单元通过肘关节屈伸舵机固定板连接所述肩关节屈伸单元；

所述肩关节传动连接件包括第一连接件、第二连接件、第三连接件；所述第三连接件为一L形板，所述第一连接件包括U形部，所述U形部与所述肩关节侧展推杆活动连接，所述U形部的底部通过一连接部与所述第三连接件位置可调节固定；所述第二连接件为L形状的转动件，一端与所述连接部连接，另一端与所述肩关节背部连接板连接固定；在所述肩关节侧展推杆带动下，所述第一连接件可绕所述第二连接件旋转动作；

所述控制系统在控制时，按预设的关节转动角度范围值，监测人体上肢关节转动角度，将实时监测到的人体上肢关节转动角度与人体上肢极限角度值比较，当实时监测的角度在人体上肢极限角度值外，则报警并控制设备停止运动。

2.如权利要求1所述人体上肢功能自动辅助恢复设备，其特征在于，所述肘关节限位保护器限制所述肘关节小臂连接板的屈伸角度范围为0-90°，所述肩关节屈伸限位保护器限制的屈伸角度范围为0-120°，所述肩关节侧展推杆可推动所述肩关节屈伸单元与肘关节屈伸单元在0-90°范围内动作。

3.如权利要求1所述人体上肢功能自动辅助恢复设备，其特征在于，所述肘关节限位保护器包括一肘关节限位保护板，所述肘关节限位保护板上设有弧形的肘关节限位保护孔；所述肘关节屈伸传动件包括有一个肘关节屈伸限位杆，所述肘关节屈伸限位杆上安装角度传感器，所述肘关节屈伸限位杆装在所述肘关节限位保护孔内；所述肩关节屈伸限位保护器包括一肩关节限位保护板，所述肩关节限位保护板上设有弧形的肩关节限位保护孔；所述肩关节屈伸传动部件包括有一个肩关节屈伸限位杆，所述肩关节屈伸限位杆上安装角度传感器，所述肩关节屈伸限位杆装在所述肩关节限位保护孔内。

4.如权利要求1-3任一项所述人体上肢功能自动辅助恢复设备，其特征在于，所述肘关节小臂连接板、肩关节上臂连接板分别连接小臂弧形支撑板、上臂弧形支撑板。

5.如权利要求4所述人体上肢功能自动辅助恢复设备，其特征在于，所述小臂弧形支撑板、上臂弧形支撑板上设有束缚带。

6.如权利要求5所述人体上肢功能自动辅助恢复设备，其特征在于，所述束缚带上设有按摩震动电机。

7.如权利要求1或6所述人体上肢功能自动辅助恢复设备，其特征在于，所述控制系统包括遥控器、舵机控制单元以及单片机控制器，所述单片机控制器与舵机控制单元相连接，所述舵机控制单元与所述肩关节屈伸舵机、肘关节屈伸舵机电连接；所述遥控器与所述单片机控制器连接，实现对所述人体上肢辅助恢复装置的遥控操作控制。

8.如权利要求7所述人体上肢功能自动辅助恢复设备，其特征在于，所述单片机控制器连接用于在所述人体上肢辅助恢复装置运转出现异常时进行报警的声音报警器、用于向外部监控设备无线发送运动康复数据及报警信息数据的无线发送装置以及用于实现人机交互功能的显示屏。

9.如权利要求1所述人体上肢功能自动辅助恢复设备，其特征在于，两个所述人体上肢辅助恢复装置分别通过所述肩关节背部连接板相对安装固定在座椅上。