CN106074071A - 一种肘膝关节牵引康复机器人及其牵引角度调整机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种肘膝关节牵引康复机器人及其牵引角度调整机构，该机器人包括支撑组件、床主体、固定带快卸机构、牵引绳索、牵引角度调节机构、柔和力控制机构、计算机控制与采集系统、人机互动界面，所述牵引角度调整机构包括拉线位移传感器。本发明的机器人可以实现肘关节和膝关节牵引角度和牵引力大小的精准调控，对患者可以进行全方位的康复治疗，大大缩短肘膝关节疾病的康复时间。
Description
【技术领域】
本发明涉及康复医疗机器人领域，尤其涉及一种肘膝关节牵引康复机器人及其牵引角度调整机构。
【背景技术】
膝关节功能障碍是膝关节及其周围骨折手术及内、外固定后常见的并发症。由于长时间制动、肢体活动减少，可致伸膝装置因血液及淋巴回流障碍造成组织水肿、纤维渗出、纤维沉积到组织间隙内，并导致周围肌肉纤维化、挛缩及粘连，髌上囊粘连以至完全消失，使股四头肌及其肌腱与股骨之间的滑动消失，因而关节活动受限。肘关节外伤后，由于内和(外)固定长期制动的影响，主要后遗症为关节组织粘连和瘢痕挛缩导致的功能障碍。临床表现为肘关节主动活动和被动活动范围受限，严重者波及肩关节及腕关节。
肘关节外伤后，由于内和(外)固定长期制动的影响，主要后遗症为关节组织粘连和瘢痕挛缩导致的功能障碍。临床表现为肘关节主动活动和被动活动范围受限，严重者波及肩关节及腕关节
关节松动术：由治疗师进行被动的肘关节屈伸、旋转功能训练。需要在护理人员监督指导下做肘关节屈伸、旋转功能训练的病人。
目前，临床的主要治疗方法有药物治疗、牵引法、按摩法、物理法。牵引疗法的治疗是由治疗师进行被动的肘关节屈伸、旋转功能训练。需要在护理人员监督指导下做肘关节屈伸、旋转功能训练的病人。不过这类疗法一定要在正规医生的指导下进行，否则很容易让病情加剧。然而，医师数量有限而患者较多时便不易使所有患者都得到及时的康复训练，此时如果借助医疗机械进行康复便有很大希望提高康复的效率和效果。随着医疗机械的不断发展，很多研究者利用机械学、力学、电磁学、机器人学等学科的研究成果，结合医学理论设计出新的康复训练方法。康复医疗机器人作为一种自动化康复医疗设备可以帮助患者进行科学而有效的康复训练来恢复其损伤部位的运动机能。目前国内针对腰椎康复治疗的已有一些专利成果，而这些成果均有一定地局限性，如能够运动的自由度较少、模拟医师治疗过程能力不足、固定不够平稳、穿戴不够舒适等。
【发明内容】
本发明主要针对关节功能障碍患者/老年人关节退化患者/关节损伤/胫键断裂/术后恢复/偏瘫等，结合机器人学、人体运动学、人机工程学等理论进行机械设计，多关节牵引康复机器人可满足不同程度肘关节和膝关节病患的牵引需求，还可以使医生/康复师对关节疾病物理牵引治疗方法和治疗处方的标准化。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：
一种肘膝关节牵引康复机器人，该机器人包括支撑组件、床主体、固定带快卸机构、牵引绳索、牵引角度调节机构、柔和力控制机构、计算机控制与采集系统；
所述支撑组件用于支撑所述机器人的各个部件；
所述床主体用于支撑和固定患者，所述固定带快卸机构设置在床主体上，并以床主体的轴线作对称分布，用于快速连接和卸除固定带；所述床主体的下方具有一个缸，通过缸的伸缩可以调节床主体的高度；
所述牵引角度调节机构用于调节牵引绳索的牵引角度，其包括丝杆滑台、控制电机和位移传感器；所述丝杆滑台垂直固定在支撑组件上，丝杆滑台上的滑块可沿着垂直方向上下滑动；所述控制电机用于拉动该滑块在丝杆滑台上滑动；所述滑块朝向床主体的一端固定了一个滑轮，用于穿过牵引绳索；所述位移传感器可以测量滑块在丝杆滑台上的位移。
所述位移传感器是一个拉线位移传感器，该拉线位移传感器的钢丝绳连接于所述滑块，可以测量滑块在丝杆滑台上的位移；
所述柔和力控制机构包括牵引电机、减速器、联轴器、扭矩传感器和线轮；所述牵引电机与该减速器连接，通过减速器输出扭矩，所述联轴器一端用传动件连接减速器，另一端输出连接到线轮，该线轮上缠绕着牵引绳索。所述扭矩传感器设置在联轴器和线轮之间，用于实时检测和反馈输出扭矩的大小；
所述牵引绳索从柔和力控制机构的线轮拉出，穿过牵引角度调节机构的所述滑块上的滑轮，再固定在患者的小腿或小臂上；
所述计算机控制与采集系统分别与上述控制电机、牵引电机以及上述位移传感器、扭矩传感器、缸相连接，可通过所述位移传感器的检测结果计算牵引的角度，可根据设置的牵引角度控制所述控制电机拉动滑块，可根据所述扭矩传感器反馈的信号，控制牵引电机的输出扭矩，实现牵引力的柔和控制；可控制所述缸的伸缩；可主动控制上述两个电机的工作，也可被动采集记录两个电机的工作过程，将采集到的过程信息存档到数据库文件中，之后能根据所述数据库文件控制电机工作，从而复现牵引过程。
进一步地，该机器人还包括人机互动界面，所述计算机控制与采集系统通过该人机互动界面进行操作。
优选的，在所述床主体上设置了2-10个固定带快卸机构。
进一步地，所述支撑组件包括支撑床主体的组件部分，还包括支撑牵引角度调节机构和柔和力控制机构的组件部分。
本发明的技术效果是：本发明的机器人可以实现肘关节和膝关节牵引角度和牵引力大小的精准调控，对患者可以进行全方位的康复治疗，大大缩短肘膝关节疾病的康复时间。
【附图说明】
此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明的牵引角度调节机构示意图；
图3是本发明的柔和力控制机构示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。
参见附图1，本发明的肘膝关节牵引康复机器人在总体结构上包括支撑组件、床主体、固定带快卸机构、牵引绳索、牵引角度调节机构、柔和力控制机构、计算机控制与采集系统、人机互动界面。
所述支撑组件用于支撑本发明机器人的各个部件，包括位于床主体下方支撑床主体的组件部分，还包括支撑牵引角度调节机构和柔和力控制机构的组件部分。
所述床主体用于支撑和固定患者，在所述床主体上设置了2-10个固定带快卸机构，所述固定带快卸机构以床主体的轴线作对称分布，用于快速连接和卸除固定带。当患者的大腿或大臂放置于床主体上时，用固定带固定住大腿或大臂，固定带的两端分别连接在一个固定带快卸机构上。
在床主体的下方具有一个缸，通过缸的伸缩可以调节床主体的高度，以适应不同患者的高度需求。计算机控制与采集系统可以控制该缸的伸缩。
参见附图2，其示出了本发明的牵引角度调节机构。所述牵引角度调节机构用于调节牵引绳索的牵引角度，其包括丝杆滑台、控制电机、位移传感器。所述丝杆滑台垂直固定在支撑组件上，使得丝杆滑台的滑块可沿着垂直方向上下滑动；所述控制电机用于拉动该滑块在丝杆滑台上上下滑动；所述滑块朝向床主体的一端固定了一个滑轮，用于穿过牵引绳索；所述位移传感器可以测量滑块在丝杆滑台上的位移，计算控制与采集系统通过滑块的位移可计算出牵引绳索的牵引角度，或者根据设定的牵引角度计算出滑块的位移，然后控制所述控制电机拉动滑块到相应的位置。优选的，所述位移传感器是一个拉线位移传感器，该拉线位移传感器的钢丝绳连接于所述滑块，通过滑块拉动钢丝绳的长短测量滑块位移。
参见附图3，其示出了本发明的柔和力控制机构，所述柔和力控制机构包括牵引电机、减速器、联轴器、扭矩传感器和线轮；所述牵引电机与该减速器连接，通过减速器输出扭矩，所述联轴器一端用传动件连接减速器，另一端输出连接到线轮，该线轮上缠绕着牵引绳索。所述扭矩传感器设置在联轴器和线轮之间，用于实时检测和反馈输出扭矩的大小。当牵引电机工作时，其可带动线轮转动，从而拉动牵引绳索，实现对肘膝关节的牵引。计算机控制与采集系统可以根据所述扭矩传感器反馈的信号，控制牵引电机的输出扭矩，实现牵引力的柔和控制。
所述牵引绳索从柔和力控制机构的线轮拉出，穿过牵引角度调节机构的滑块上的滑轮，再固定在患者的小腿或小臂上。
所述计算机控制与采集系统分别与上述控制电机、牵引电机以及位移传感器、扭矩传感器相连接，一方面可以主动控制两个电机的运动，以设置牵引角度和牵引力；另一方面可以采集所述两个电机的运动数据和两个传感器的检测数据，将采集到的数据存档到数据库文件中，之后能够根据所述数据库文件控制电机工作，从而复现肘膝关节牵引过程。
两个电机由计算机控制与采集系统通过人机互动界面进行控制，可以完成对两个电机的主动加载控制(即直接控制电机的运动来牵引患者)、被动加载信息采集(即先由医师主动控制，对固定在本发明机器人上的患者进行牵引时，计算机控制与采集系统记录每个电机的工作过程)、对采集的信息进行主动复现控制(即复现所记录的每个电机的运动过程以模拟医师的治疗过程)。
本发明的工作过程如下：
使用本发明的康复机器人时，患者先躺卧在本发明的床主体上，位置调整合适之后，先将患者大腿或大臂用固定带固定在床主体上，然后将牵引绳索固定连接到患者的小腿或小臂，通过计算机控制与采集系统，医生可调节床主体的高度，还可设置牵引角度，计算机控制与采集系统通过调整牵引角度调节装置上的滑块位置，实现牵引角度的调整，然后医生可通过计算机控制与采集系统操作柔和力控制装置，对颈椎进行牵引，其中计算机控制与采集系统根据所述扭矩传感器组件反馈的信号，控制所述牵引电机的输出扭矩，实现牵引力的柔和控制。计算机控制与采集系统还可以采集每个电机的工作过程并存储到数据库文件中，将整个过程采集并存储完毕后，根据存储的信息对每个电机进行主动加载，复现每个电机的输出，实现对医生治疗过程的模拟。通过调节电机的加载频率可以调节牵引过程中电机输出的快慢。再次使用时，可以直接根据已存储的文件直接进行康复治疗。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (4)
1.一种肘膝关节牵引康复机器人，其特征在于，该机器人包括支撑组件、床主体、固定带快卸机构、牵引绳索、牵引角度调节机构、柔和力控制机构、计算机控制与采集系统；
所述支撑组件用于支撑所述机器人的各个部件；
所述床主体用于支撑和固定患者，所述固定带快卸机构设置在床主体上，并以床主体的轴线作对称分布，用于快速连接和卸除固定带；所述床主体的下方具有一个缸，通过缸的伸缩可以调节床主体的高度；
所述牵引角度调节机构用于调节牵引绳索的牵引角度，其包括丝杆滑台、控制电机和位移传感器；所述丝杆滑台垂直固定在支撑组件上，丝杆滑台上的滑块可沿着垂直方向上下滑动；所述控制电机用于拉动该滑块在丝杆滑台上滑动；所述滑块朝向床主体的一端固定了一个滑轮，用于穿过牵引绳索；
所述位移传感器是一个拉线位移传感器，该拉线位移传感器的钢丝绳连接于所述滑块，可以测量滑块在丝杆滑台上的位移；
所述柔和力控制机构包括牵引电机、减速器、联轴器、扭矩传感器和线轮；所述牵引电机与该减速器连接，通过减速器输出扭矩，所述联轴器一端用传动件连接减速器，另一端输出连接到线轮，该线轮上缠绕着牵引绳索。所述扭矩传感器设置在联轴器和线轮之间，用于实时检测和反馈输出扭矩的大小；
所述牵引绳索从柔和力控制机构的线轮拉出，穿过牵引角度调节机构的所述滑块上的滑轮，再固定在患者的小腿或小臂上；
所述计算机控制与采集系统分别与上述控制电机、牵引电机以及上述位移传感器、扭矩传感器、缸相连接，可通过所述位移传感器的检测结果计算牵引的角度，可根据设置的牵引角度控制所述控制电机拉动滑块，可根据所述扭矩传感器反馈的信号，控制牵引电机的输出扭矩，实现牵引力的柔和控制；可控制所述缸的伸缩；可主动控制上述两个电机的工作，也可被动采集记录两个电机的工作过程，将采集到的过程信息存档到数据库文件中，之后能根据所述数据库文件控制电机工作，从而复现牵引过程。
2.根据权利要求1所述的肘膝关节牵引康复机器人，其特征在于，该机器人还包括人机互动界面，所述计算机控制与采集系统通过该人机互动界面进行操作。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的肘膝关节牵引康复机器人，其特征在于，在所述床主体上设置了2-10个固定带快卸机构。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的肘膝关节牵引康复机器人，其特征在于，所述支撑组件包括支撑床主体的组件部分，还包括支撑牵引角度调节机构和柔和力控制机构的组件部分。
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