CN106214419B - 自适应前臂肌群康复装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于康复辅具领域，提供了一种自适应前臂肌群康复装置，包括可调力矩动力单元、支承执行部件、测量单元、运动逆止单元和控制器单元；可调力矩动力单元包括电机、蜗杆减速器和磁粉离合器，改变磁粉离合器励磁电流调节输出扭矩；支承执行部件包括手掌托板和肘托架；测量单元包括扭矩传感器和编码器，扭矩传感器用于检测手掌托板得到的驱动力矩或受到的阻尼，编码器用于检测手掌托板轴的转角和转速，获得的信号传至控制器单元；运动逆止单元包括两个装在同一轴上且转向相反的单向离合器，单向离合器的外环分别与两个电磁制动器相连；通过对偏瘫患者前臂肌群进行牵伸康复训练，以缓解前臂肌群痉挛。

Description

自适应前臂肌群康复装置

技术领域

本发明属于康复辅具领域，提供了一种自适应前臂肌群康复装置。

背景技术

偏瘫是急性脑血管病/脑外伤后遗留下来的严重后遗症，其导致患者下肢/上肢特别是手运动功能障碍，严重影响患者的日常生活质量，给家庭和社会带来沉重的负担。正确、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。传统的偏瘫康复训练主要以治疗医师与患者一对一徒手治疗为主，有时辅以简单的康复设备。最近几年国内外出现了不同类型的手运动康复训练设备，也有一些涉及手运动康复训练的专利获批。成型产品包括：BIOMETRICS的ELINK E3000系列产品（主动运动训练器）、Smith＆Nephew的Kinetec(腕部被动运动训练器CPM)等产品，哈尔滨工程大学研制了能完成前臂内旋动作的主、被动训练器，清华大学申请了“手腕及手指关节运动康复训练机器人”（专利号ZL200410009465．X）。上述手运动康复训练装置的特点都是将手、腕的运动训练作为重点，着重实现手、腕的主、被动运动。依据康复医学研究文献，导致偏瘫患者手运动功能障碍的主要原因是前臂肌群痉挛所致的前臂旋转障碍和腕/肘关节的屈伸障碍。有效的抑制、缓解前臂肌群痉挛，是促进手运动功能康复的有效方法。本发明提出可适应不同康复阶段要求的前臂肌群康复装置。

发明内容

本发明为不同康复阶段的患者提供一种抑制、缓解、直至消除前臂肌群痉挛的康复装置，从而达到手运动功能康复的目的。该装置可自动适应患者的被动、助力、主动自由、主动阻尼等几种康复治疗模式，设备能够记录病人的治疗及康复情况。

本发明的技术方案：

自适应前臂肌群康复装置，包括可调力矩动力单元、支承执行部件、测量单元、运动逆止单元和控制器单元；

所述的可调力矩动力单元包括电机15、蜗杆减速器8和磁粉离合器6，改变磁粉离合器6励磁电流调节输出扭矩；电机15的输出轴与蜗杆减速器8的输入轴刚性相连，蜗杆减速器8的输出轴经联轴器7与磁粉离合器6的输入轴相连，磁粉离合器6的输出轴用键与输出轴a5相连，输出轴a5的驱动扭矩通过改变磁粉离合器6的励磁电流调节；当完全断电时，输出轴a5与动力源脱离；可调力矩动力单元通过输出轴a5与支承执行部件连接；

所述的支承执行部件包括手掌托板2和肘托架1，用以支承固定患者手掌、带动患手运动，对前臂肌群进行牵拉，缓解痉挛；

所述的测量单元包括扭矩传感器3和编码器9，扭矩传感器3用于检测手掌托板得到的驱动力矩或受到的阻尼，编码器用于检测手掌托板2轴的转角和转速，获得的信号传至控制器单元；

输出轴a5右端的外圆柱面装有用键连接的主动齿形带轮4，内孔与扭矩传感器3的轴用键相连，输出轴a5左端穿过蜗杆减速器8的空心输出轴与编码器9的输入轴连接，编码器9测量输出轴a5的转角与转速；扭矩传感器3的一侧轴与手掌托板2用键连接，其测出输出轴a5与手掌托板2之间的扭矩，即为作用在患手上的扭矩；患手固定在手掌托板2上，前臂放在高度可调的肘托架1上，高度合适后固定住；

所述的运动逆止单元包括两个装在同一轴上且转向相反的单向离合器13，单向离合器13的外环分别与两个电磁制动器14相连，其中一个电磁制动器14加电时，允许轴向指定的方向转动，禁止轴向反向转动；运动逆止单元由齿形带10与输出轴a5连接；主动齿形带轮4与从动齿形带轮11之间用齿形带10连接，从动带轮轴12上装有两个转向相反的单向离合器13，当电磁制动器14通电时，允许手掌托板2轴向指定的方向转动，禁止手掌托板2轴向反向转动；当患者需要左手或右手进行康复训练时，选定对应的电磁制动器，即与之相适应；

所述的控制器单元包括单片机、液晶显示和输入按键，用以设定转角、转速和扭矩阈值，接收测量单元信号，与设定值比较，并按控制逻辑发出控制指令。

所述的支承执行部件中选择不同的夹具，即不同的手掌托板和肘托架，以完成前臂旋转或腕/肘关节屈伸运动训练，对前臂不同肌群进行牵伸，缓解痉挛。

本发明的有益效果：本发明涉及运动功能障碍患者进行辅助康复训练的设备，特别涉及一种通过对偏瘫患者前臂肌群进行牵伸康复训练，以缓解前臂肌群痉挛，通过改善前臂旋转和腕/肘关节的屈伸功能，促进手运动功能康复的辅助训练装置。

附图说明

图1是采用腕旋手掌托板的自适应前臂肌群康复装置的主视图。

图2是采用腕旋手掌托板的自适应前臂肌群康复装置的俯视图。

图3是采用腕屈手掌托板的自适应前臂肌群康复装置的俯视图。

图中：1肘托架；2手掌托板；3扭矩传感器；4主动齿形带轮；5输出轴a；6磁粉离合器；7联轴器；8蜗杆减速器；9编码器；10齿形带；11从动齿形带轮；12从动带轮轴；13单向离合器；14电磁制动器；15电机。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

电机15的输出轴与蜗杆减速器8的输入轴刚性相连，蜗杆减速器8的输出轴经联轴器7与磁粉离合器6的输入轴相连，磁粉离合器6的输出轴用键与输出轴a5相连，输出轴a5的驱动扭矩可通过改变磁粉离合器6的励磁电流调节，当完全断电时，输出轴a5与动力源脱离联系。输出轴a5右端的外圆柱面装有用键连接的主动带轮4，内孔与扭矩传感器3的轴用键相连，输出轴a5左端穿过蜗杆减速器8的空心输出轴，与编码器9的输入轴连接，编码器9可测量输出轴的转角与转速。扭矩传感器3的另一侧轴与手掌托板轴2用键连接，其可测出输出轴a5与手掌托板轴2之间的扭矩，也就是装置作用在患手上的扭矩。患手固定在手掌托板2上，前臂放在高度可调的肘托架1上，高度合适后固定住。

主动带轮4与从动带轮11之间用齿形带10连接，从动带轮轴12上装有两个转向相反的单向离合器13，单向离合器的外环分别与两个电磁制动器14相连，当电磁制动器加电时，允许手掌托板轴向指定的方向转动，禁止手掌托板轴向反向转动。当患者需要左（或右）手进行康复训练时，选定对应的电磁制动器，即可与之相适应。

本发明采用的控制逻辑如下：

被动训练模式时，磁粉离合器6调节为输出额定扭矩，电机15经蜗杆减速器8、磁粉离合器6、扭矩传感器3带动手掌托板2运动，电磁制动器14断电。

助力训练模式时，磁粉离合器6随时调节输出扭矩，电机15经蜗杆减速器8、磁粉离合器6、扭矩传感器3带动手掌托板2运动，电磁制动器14断电。此时患手受到的驱动扭矩即为磁粉离合器6调定的输出扭矩。

主动自由训练模式时，磁粉离合器6断电，手掌托板2与动力源脱离，由患手完成主动自由运动。此时与患手对应的电磁制动器14通电，借助单向离合器13使患手只能完成指定动作，阻止因疲劳等因素导致的逆向动作。

主动阻尼训练模式时，电机15断电，利用蜗杆减速器8的自锁特性和通电的磁粉离合器6施加阻尼，随时调节磁粉离合器8的输出扭矩，使患手恰好在阈值速度下运动，使患手处于主动阻尼运动状态，对患手进行力量训练。此时与患手对应的电磁制动器14通电，借助单向离合器13使患手只能完成指定动作，阻止因疲劳等因素导致的逆向动作。

编码器9、扭矩传感器3随时检测转速、转角及扭矩，并上传至控制器，控制器将测量值与设定阈值比较，随时在几种康复训练模式间转换，自动适应患者的不同康复状况，实现自适应康复训练。

所述的自适应前臂肌群康复装置由控制器和机械装置构成。

电动机的驱动力经具有自锁特性的蜗杆减速器传递至磁粉离合器的输入端，磁粉离合器输出扭矩的大小可以通过控制磁粉离合器的电流来得到需要的值。

与磁粉离合器输出端相连的输出轴经扭矩传感器与手掌托板轴相连，施加在手掌托板轴上的扭矩可通过扭矩传感器测量；与磁粉离合器输出端相连的输出轴的另一端穿过蜗杆减速器的空心输出轴，在其端部安装有编码器，用来测量手掌托板轴的转角和转速；手掌托板用以固定患者手掌，并设有肘托架支撑患者前臂，其高度可以调节。

与磁粉离合器输出端相连的输出轴上装有主动齿形带轮，经齿形带与从动齿形带轮联接。从动齿形带轮轴上装有两个转向相反的单向离合器，单向离合器的外环分别与两个电磁制动器相连，当电磁制动器加电时，允许手掌托板轴向指定的方向转动，禁止手掌托板轴向反向转动。指定电磁制动器，可以适应患者左、右手的康复训练需要。

康复训练前，按患者状况选定患侧、指定运动模式（旋转运动或屈伸运动）并安装相应的手掌托板、设定手掌托板轴的回转速度和驱动扭矩阈值。训练时，患者尽力控制患手完成指定的动作，编码器检测患手的回转速度和回转角度、扭矩传感器检测驱动扭矩，检测结果传至控制器。控制器根据可能出现的4种状况，自动采用相应的控制策略，适应患者病况：

1）当检测到回转速度为零时，说明患者完全无力完成动作。此时启动电机，磁粉离合器输出额定扭矩，经蜗杆减速器、磁粉离合器驱动患手在给定阈值速度下运动，患手处于被动运动状态。当检测到扭矩达到阈值时，遇到了较大的肌痉挛阻抗，此时停止运动，保持患手前臂肌群处于牵伸状态，直至痉挛缓解、扭矩量值降到一定幅度。此时再次启动电机运动至扭矩再达到阈值，并再次牵伸痉挛肌群。如此直至达到运动的生理极限角度，完成一个训练循环。

2）当回转速度不为零但小于阈值时，说明患者力量不足。此时启动电机，经蜗杆减速器、磁粉离合器驱动患手运动，同时调节磁粉离合器的输出扭矩，使患手恰好在阈值速度下运动，此时患手处于助力运动状态。当检测到扭矩达到阈值时，遇到了较大的肌痉挛阻抗，此时停止运动，保持患手前臂肌群处于牵伸状态，直至痉挛缓解、扭矩量值降到一定幅度。此时再次启动电机运动至扭矩再达到阈值，并再次牵伸痉挛肌群。如此直至达到运动的生理极限角度，完成一个训练循环。

3）当检测到回转速度恰好为阈值时，说明患者力量足以维持主动自由运动。此时磁粉离合器断电，切断手掌与动力系统的联接，患手处于主动自由运动状态。此时与患手对应的电磁制动器通电，借助单向离合器使患手只能完成指定动作，阻断因疲劳等因素导致的逆向动作。训练过程中如回转速度降低，可随时转入1）或2）程序。

4）当检测到回转速度高于阈值时，说明患者力量足够。此时电机断电，利用蜗杆减速器的自锁特性和通电的磁粉离合器施加阻尼，随时调节磁粉离合器的输出扭矩，使患手恰好在阈值速度下运动，使患手处于主动阻尼运动状态，对患手进行力量训练。此时与患手对应的电磁制动器通电，借助单向离合器使患手只能完成指定动作，阻断因疲劳等因素导致的逆向动作。训练过程中如回转速度降低，可随时转入1）或2）或3）程序。

Claims (2)

1.一种自适应前臂肌群康复装置，其特征在于，该自适应前臂肌群康复装置包括可调力矩动力单元、支承执行部件、测量单元、运动逆止单元和控制器单元；

所述的可调力矩动力单元包括电机、蜗杆减速器和磁粉离合器，可通过改变磁粉离合器励磁电流调节输出扭矩；电机的输出轴与蜗杆减速器的输入轴刚性相连，蜗杆减速器的输出轴经联轴器与磁粉离合器的输入轴相连，磁粉离合器的输出轴用键与输出轴a相连，输出轴a的驱动扭矩通过改变磁粉离合器的励磁电流调节；当完全断电时，输出轴a与动力源脱离；可调力矩动力单元通过输出轴a与支承执行部件连接；

所述的支承执行部件包括手掌托板和肘托架，用以支承固定患者手掌、带动患手运动，对前臂肌群进行牵拉，缓解痉挛；

所述的测量单元包括扭矩传感器和编码器，并将获得的信号传至控制器单元；扭矩传感器用于检测手掌托板得到的驱动力矩或受到的阻尼，编码器用于检测手掌托板轴的转角和转速；

输出轴a右端的外圆柱面装有用键连接的主动齿形带轮，输出轴a的内孔与扭矩传感器的轴用键相连，输出轴a左端穿过蜗杆减速器的空心输出轴与编码器的输入轴连接，编码器测量输出轴a的转角与转速；扭矩传感器的一侧轴与手掌托板用键连接，其测出输出轴a与手掌托板之间的扭矩，即为作用在患手上的扭矩；患手固定在手掌托板上，前臂放在高度可调的肘托架上，高度合适后固定住；

所述的运动逆止单元通过齿形带与输出轴a连接；主动齿形带轮与从动齿形带轮之间用齿形带连接，所述的运动逆止单元包括两个装在从动齿形带轮轴上且转向相反的单向离合器，单向离合器的外环分别与两个电磁制动器相连，其中一个电磁制动器加电时，允许轴向指定的方向转动，禁止轴向反向转动；当电磁制动器通电时，允许手掌托板轴向指定的方向转动，禁止手掌托板轴向反向转动；当患者需要左手或右手进行康复训练时，选定对应的电磁制动器，即与之相适应；

所述的控制器单元包括单片机、液晶显示和输入按键，用以设定转角、转速和扭矩阈值，接收测量单元信号，与设定值比较，并按控制逻辑发出控制指令。

2.根据权利要求1 所述的自适应前臂肌群康复装置，其特征在于，支承执行部件可选择不同的夹具，即不同的手掌托板和肘托架，以完成前臂旋转或腕/肘关节屈伸运动训练，对前臂不同肌群进行牵伸，缓解痉挛。