CN104983498B - 一种绳索型脊椎侧弯康复医疗机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种索驱动脊椎侧弯康复治疗机器人，其结构主要由上、中、下三层矫正圆环组成，呈与患者躯干匹配整体曲线形状，两层矫正圆环间利用绳索进行连接，绳索驱动装置由伺服电机和滚筒组成,通过伺服电机带动滚筒转动来控制索伸缩长度，实现患者的三维动态力矫正。此装置穿戴方便，与患者躯干曲线良好匹配，矫正力动态可调，能够阻止脊椎侧弯的进一步恶化，实现青少年特发性脊椎侧弯疾病、脊椎运动损伤、脊椎术后等的康复和辅助治疗，并可用于实时监测佩戴者脊椎健康状态。

Description

一种绳索型脊椎侧弯康复医疗机器人

技术领域

本发明涉及康复医疗机器人领域，具体涉及一种用于特发性脊椎矫形的绳索型脊椎侧弯康复医疗机器人。

背景技术

脊椎侧弯是指脊椎发生横向异常弯曲。现有研究表明，脊椎侧弯不仅导致患者外观畸形，还严重危及人体的消化系统、内分泌系统、肌肉系统、骨骼组织和神经系统。脊椎病态弯曲挤压骨骼、肌肉、神经和内脏等，使人产生疼痛，严重时甚至累及脊髓，导致人体机能丧失，出现完全性或不完全性瘫痪。特别是对于青少年骨骼发育时期，如未接受治疗，病情有严重恶化趋势。

目前脊椎侧弯治疗主要有手术疗法和非手术疗法两种。其中手术疗法风险较大，对于特发性脊椎侧弯青少年患者主要采用非手术疗法。近年来，非手术疗法主要应用脊椎侧弯矫形器，且研究表明脊椎侧弯矫形器能够有效阻止青少年特发性脊椎侧弯进一步恶化，避免手术治疗。目前典型脊椎侧弯矫形器主要有密尔沃基(Milwaukee)型[主要适用于年龄较小,20—50度侧凸,病情进展缓慢的脊椎侧弯患者]、波士顿(Boston)型矫形器[主要适用于腰部侧凸患者]、大阪医大(OMC)型矫形器、法国人发明的色努(Cheneau)型矫形器[适用于第6胸椎以下,45度左右的侧凸患者]及其改型CBW[色努一波士顿一威士巴登]型矫形器等。但此类固定矫形器顺应性差，限制患者肌肉发育，妨碍患者正常生活。为改善顺应性，近期提出了采用柔性带方式实现矫形的SpineCor矫形概念，改善了患者身体机能灵活性，但大大降低了矫形效果。综合国内外研究现状及医疗应用表明，现有脊椎侧弯矫形器均为被动矫形器，矫正力无法良好控制；制作及佩戴需根据临床医师或技师的经验；没有考虑患者姿势的改变对支具所产生矫形力的影响；导致矫形器治疗效果有限。而主动矫形器(动态矫形器)尚未有学者研究涉及。

发明内容

为了克服现有脊椎侧弯矫形器矫形力无法控制、顺应性差等不足,且考虑近年来发展迅速的绳驱动技术具有结构简单、惯性小、质量轻、安全性好等优点，本发明提供一种绳索型动态脊椎侧弯矫形器—特发性脊椎侧弯康复医疗机器人，通过智能化机器人控制方式实现脊椎侧弯矫形力控制，有效阻止脊椎侧弯的进一步恶化，并实现青少年特发性脊椎侧弯疾病、脊椎运动损伤、脊椎术后等的康复和辅助治疗，并可用于实时监测佩戴者脊椎健康状态。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明特发性脊椎侧弯康复医疗机器人的特征在于结构框架包括上1、中2、下3三层椭圆形矫正环。上层矫正环1固定在佩戴者胸部，中层矫正环2固定在佩戴者腰部，而下层矫正环3固定在佩戴者胯部。呈与患者躯干匹配整体曲线形状，每层椭圆环上下端沿周向均布小孔。且每层矫正圆环均通过扣带连接，成对开门结构，方便佩戴者穿戴。其中上、中两层通过3根绳索连接，中、下两层通过4根绳索进行连接，上、下两层通过固定装置7进行固定连接，下层放置滚筒6。上1、下3两层椭圆矫正环可以采用多种刚性连接方式保证相对位置不变，利于患者穿戴治疗。

本发明中上层环1和中层环2通过3根绳索驱动，沿周向均布布置，可提供3个自由度。中层环2和下层环3通过4根绳索进行连接，沿周向均布布置，可提供4个自由度。佩戴者进行运动的时候，绳索驱动可以响应地进行伸缩，保证上、中、下三层矫正环不阻碍佩戴者进行运动。在保证治疗效果的前提下，极大提升了产品的舒适性与方便性。

矫正环内圈配有内衬，增加佩戴舒适感，减少矫形器对佩戴者皮肤伤害。在内衬中具有压力传感器，能够测量佩戴者与矫正环的相对作用力，并能实时监测佩戴者脊椎恢复情况及健康状态。

本发明的有益效果是能够用于治疗脊椎侧弯疾病、脊椎运动损伤、脊椎术后等的康复和辅助治疗，并可用于实时监测佩戴者脊椎健康状态。且能根据患者的不同病情，通过产品自身控制采用不同的控制算法对佩戴者进行治疗，改善了治疗效果。同时，矫正环间采用绳索进行连接，结构简单、质量轻、安全性高，利于佩戴者日常活动，增加了佩戴舒适度。

附图说明

图1：绳索型脊椎侧弯康复医疗机器人示意图。

图2：绳索型脊椎侧弯康复医疗机器人侧视图。

图中：1.上层矫正圆环2.中层矫正圆环3.下层矫正圆环4.绳索5.出索孔6.滚筒7.固定装置

具体实施方式

在图1及图2中，本发明特发性脊椎侧弯康复医疗机器人的特征在于结构框架包括上、中、下三层椭圆形矫正环。上层矫正环1固定在佩戴者胸部，中层矫正环2固定在佩戴者腰部，而下层矫正环3固定在佩戴者胯部。呈与患者躯干匹配整体曲线形状，每层椭圆环上下端沿周向均布小孔。且每层矫正圆环均通过扣带连接，成对开门结构，方便佩戴者穿戴。其中上、中两层通过3根绳索连接，中、下两层通过4根绳索进行连接，上、下两层通过固定装置7进行固定连接，下层放置滚筒6。所述矫正环1、2、3为ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)塑料材质，根据人体躯干扫描生成三维模型，利用熔融沉积成型(FDM)技术直接成型。增加患者佩戴舒适性和顺应性。

所述绳索4采用钢索或者尼龙绳索。

该机器人还具有一个索驱动装置，索驱动装置由伺服电机和多个滚筒组成，每一根连接下层矫正环的绳索4的一端缠绕于滚筒6上,通过控制伺服电机带动滚筒6的转动来控制绳索伸缩长度。所述驱动装置的安装位置根据所选用驱动元件的体积合理布局于下层矫正环3上。

矫正环内圈配有内衬，所述内衬采用聚乙烯泡沫板，在内衬中具有压力传感器，能够测量佩戴者与矫正环的相对作用力。

所述控制方式为位置控制和力控制两种模式，采用多通道驱动器的位置反馈和压力传感器电压，将其信号发送至控制板，电机驱动电压为脉宽信号。控制板根据接收的压力信号，测量佩戴者与矫正环的相对作用力，根据设置好的康复方案，控制索驱动装置，调整绳索的的伸缩长度，以使所述相对作用力满足康复方案的要求。

本发明工作原理如下：

本发明基于人体生物力学、三点压力治疗理论和并联机构理论，采用矫形力动态可调方式对特发性青少年脊椎侧弯患者进行康复治疗。其主要结构由上、中、下三层椭圆矫正环组成，呈与患者躯干匹配整体曲线形状，方便患者穿戴，改善矫形器舒适度与顺应性方。两层椭圆环间利用绳索进行连接，实现患者的三维动态力矫正。采用位置控制和力控制两种控制模式，能够控制作用于人体的力和力矩，也能够控制其位置和方向，实现对患者施加六维力/力矩矫正，并实现矫正力动态可调。此装置安装有压力、温度传感器等，可实时检测患者受力情况，根据康复状况灵活调整康复方案，为医师提供理论依据。为进一步增加舒适度，患者和康复医疗机器人间使用聚乙烯泡沫板，且减轻矫正力对患者皮肤所造成伤害。此智能化机器人新型特发性脊椎侧弯康复医疗机器人能够阻止脊椎侧弯的进一步恶化，实现青少年特发性脊椎侧弯的康复治疗。

Claims (6)

1.一种绳索型脊椎侧弯康复医疗机器人，其特征在于：该机器人包括上、中、下三层椭圆形矫正环、索驱动装置和控制板，其中

三层矫正环在工作时分别套于患者的胸部、腰部、胯部，与患者躯干的曲线形状相匹配，相邻矫正环间使用绳索进行连接，可相对运动，其中上、中两层矫正环通过3根绳索连接，中、下两层矫正环通过4根绳索进行连接，上层和下层矫正环之间采用固定装置刚性连接，其相对位置保持不变；每层矫正环采用硬质材料，且上下端沿周向均布小孔；

矫正环内侧具有内衬和压力传感器，能够测量患者与矫正环之间的相对作用力；

索驱动装置包括伺服电机和4个滚筒，滚筒和伺服电机均固定于下层矫正环上，每一根连接下层矫正环的绳索的一端都缠绕于一个滚筒上，伺服电机能够带动滚筒转动，从而控制绳索的伸缩长度；

控制板根据接收的所述压力传感器的压力信号，获取患者与矫正环之间的相对作用力，根据设置好的康复方案，控制索驱动装置，调整绳索的的伸缩长度。

2.根据权利要求1所述的绳索型脊椎侧弯康复医疗机器人，其特征在于上层圆环侧面上端开有与患者手臂匹配的凹槽，前部中间留有间隙，呈对开门结构，并安装扣带。

3.根据权利要求1-2任一项所述的绳索型脊椎侧弯康复医疗机器人，其特征在于：该机器人采用位置控制和力控制两种控制模式，能够控制矫正环作用于人体的力和力矩，也能够控制其位置和方向，实现对患者施加六维力/力矩矫正，并实现矫正力动态可调。

4.根据权利要求1所述的绳索型脊椎侧弯康复医疗机器人，其中所述矫正环为ABS塑料材质，根据人体躯干扫描生成的三维模型，利用熔融沉积成型(FDM)技术直接成型。

5.根据权利要求1所述的绳索型脊椎侧弯康复医疗机器人，其中所述绳索是钢索或者尼龙绳索。

6.根据权利要求1所述的绳索型脊椎侧弯康复医疗机器人，其中所述内衬是聚乙烯泡沫板。