CN107307974A - 一种穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，具有这样的特征，包括：上臂固定部，用于固定患者的上臂；连接部，与上臂固定部连接；减速电机，设置在连接部内，起驱动作用；传动单元，与连接部以及减速电机连接；前臂旋转部，与传动单元连接，在减速电机的带动下旋转，具有用于限制前臂旋转部在一定角度范围内旋转的限位滑槽；前臂固定部，与前臂旋转部连接，用于固定患者的前臂；控制部，连接并控制减速电机，具有用于生成并输出PWM信号的信号生成单元、用于处理PWM信号并驱动减速电机的驱动单元以及与传动单元、驱动单元连接，用于反馈前臂旋转部的旋转位置的反馈电位器；上臂外壳，套设在连接部的外侧。
Description
技术领域
本发明涉及一种康复训练和生活辅助装置，具体涉及一种穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置。
背景技术
近年来，随着我国人口老龄化速度的加快，各种疾病导致的上肢运动功能障碍患者的急剧增多，康复医疗市场正日益壮大发展。其中，中风患者尤为需要康复医疗的帮助。中风，又称脑卒中，是一种常见的脑部神经损伤，发病率高达1.82％，虽然大部分患者可以通过手术、药物得到有效的救治，但治疗之后患者的致残率也高达75％，常见的后遗症有偏瘫、偏盲、失语、智力低下等等。
临床医学和医学理论已经证明，这类患者除了前期手术治疗和药物治疗外，正确、科学、合理的康复训练对于肢体运动功能的恢复起到十分重要的作用。常见的脑中风康复治疗方法有许多种，如运动治疗、物理治疗、作业治疗、言语与吞咽治疗、心理治疗等等。其中运动治疗是最重要的康复方法，主要解决患者肌肉乏力，不能坐、站立、步行等问题。临床上，常用的运动物理康复治疗分为主动式与被动式，但是无论哪种方式都需要医疗人员徒手或者借助医疗器械进行操作，对于医疗人员的技术要求也偏高，平时治疗过程稍有偏差都会对今后的恢复效果产生影响。而且中风患者的康复治疗是一个长期的过程，这种传统的人工康复治疗是一种耗时耗人力的过程，所以近些年来市面上出现了一种新型机器人，康复训练机器人。
国内外已经得到临床应用的上肢康复训练机器人基本都是走中大型设备的路线，现有产品明显增大了患者视野范围内的设备体积，会不同程度的增加病人的心理压力，且不具备日常生活辅助功能。
与此同时，只有大型医院或康复中心才会购买这类价格较高的中大型设备，这样的设备特性就限制病人必须在规定时间地点做间断性的几组康复训练动作，训练量达不到病人最佳康复需求。在小型医院，病人必须依靠专业理疗师才能进行上肢的定时定点康复训练。
除此之外，对于上述处于需要做康复训练治疗期和一些较难恢复的偏瘫病人、上肢力量不足的老人，日常生活中诸如取物、娱乐等活动由于上肢无法顺利抬起而无法顺利进行，极大降低了上述对象的日常生活水平。并且，针对上肢的生活辅助类装置，国内市场尚未有组织或个人涉及。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置。
本发明提供了一种穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，具有这样的特征，包括：上臂固定部，用于固定患者的上臂；连接部，与上臂固定部连接；减速电机，设置在连接部内，用于驱动穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置运动；传动单元，与连接部以及减速电机连接；前臂旋转部，与传动单元连接，在减速电机的带动下旋转，具有用于限制前臂旋转部在一定角度范围内进行旋转的限位滑槽；前臂固定部，与前臂旋转部连接，用于固定患者的前臂；控制部，与减速电机连接，用于对减速电机进行控制，具有信号生成单元、驱动单元以及反馈电位器，信号生成单元用于生成并输出PWM信号，驱动单元用于处理PWM信号，并根据PWM信号驱动减速电机，反馈电位器，与传动单元以及驱动单元连接，用于反馈前臂旋转部的旋转位置；以及上臂外壳，套设在连接部的外侧。
在本发明提供的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置中，还可以具有这样的特征：其中，连接部包括内侧连接板、中间连接板以及外侧连接板，内侧连接板的一侧与上臂固定部连接，另一侧与减速电机连接，外侧连接板与减速电机连接，内侧连接板、中间连接板以及外侧连接板均与传动单元连接。
在本发明提供的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置中，还可以具有这样的特征：其中，减速电机具有行星减速机构以及直齿轮减速机构，传动比为1000，行星减速机构的减速比为10，直齿轮减速机构的传动比100，减速电机的输入转矩为3mNM，输出转矩为3000mNM。
在本发明提供的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置中，还可以具有这样的特征：其中，传动单元包括主动轮、从动轮、同步带以及异形轴，主动轮与减速电机连接，并在减速电机的带动下转动，从动轮通过同步带与主动轮连接，在主动轮以及同步带的带动下转动，异形轴，与从动轮以及前臂旋转部连接，用于带动前臂旋转部进行旋转。
在本发明提供的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置中，还可以具有这样的特征：还包括卷簧，其中，卷簧套设在异形轴上，回弹时释放存储的弹性势能带动异形轴转动。
在本发明提供的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置中，还可以具有这样的特征：其中，限位滑槽限制前臂旋转部的旋转范围是0°-120°。
在本发明提供的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置中，还可以具有这样的特征：其中，上臂固定部还具有用于对患者的上臂进行固定的弹性透气绑带，前臂固定部还具有用于对患者的前臂进行固定的弹性透气绑带。
在本发明提供的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置中，还可以具有这样的特征：其中，信号生成单元包括配备在患者健侧的控制器以及用于发射信号的555定时器可调PWM信号发生器。
在本发明提供的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置中，还可以具有这样的特征：其中，信号生成单元包肌电信号采集器以及单片机，肌电信号采集器设置在前臂固定部上的弹性透气绑带内，用于采集肌电信号，并对该肌电信号进行处理，单片机用于将经过处理的肌电信号的特征值与前臂的既有的肌电信号特征值进行比对，并向驱动单元输出对应既有的肌电信号特征值占空比的PWM信号。
在本发明提供的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置中，还可以具有这样的特征：其中，驱动单元包括驱动IC AA51880微型板(内置H桥电路)、光耦隔离电路以及L298驱动。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，因为设计了卷簧，前臂外展时卷簧压缩，卷簧回弹时释放存储的弹性势能，带动前臂内收，有助于减轻电机负担；前臂旋转块部设置了限位槽，使前臂旋转部在0°至120°范围内旋转，该角度范围满足日常生活的常用手臂功能位，一方面起到安全保护和稳固结构的作用，另一方面，可以相应选择更加轻巧的卷簧以及电机，以此减轻整个康复训练装置的重量；控制方式灵活，既可以采用在患者健侧配备控制器，进行手动控制，又可以通过在弹性绑带中添加肌电信号采集电极，采集肌电信号数据用于电机控制和康复效果测评；设置反馈电位器，形成闭环控制，提高控制系统可靠性和实时性，所以，本发明的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置具有整体结构紧凑、所占空间小、重量轻、具有高传动比、高转矩输出，控制方式灵活的特点，允许病人在不同阶段，可以在不依靠专业医师或者在户外的情况下，自主进行训练并辅助日常生活，可有效改善手臂神经受损、脊髓受损、中风和其他神经肌肉受损患者的生活，提高术后康复训练效果，打破了原有上肢康复机器人体积大，便携性差，无法辅助日常生活的现状。
附图说明
图1是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的立体结构示意图；
图2是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的内部结构示意图；
图3是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的上臂固定部结构示意图；
图4是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的异形轴结构示意图；
图5是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的异形轴与卷簧、前臂旋转部装配结构示意图；
图6是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的前臂旋转部结构示意图；以及
图7是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的控制过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置作具体阐述。
图1是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的立体结构示意图，图2是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的内部结构示意图。
如图1、2所示，穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置100包括上臂固定部10、连接部20、减速电机30、传动单元40、卷簧50、前臂旋转部60、前臂固定部70、控制部80以及上臂外壳90。
图3是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的上臂固定部结构示意图。
如图3所示，3(a)为上臂固定部的主视图，3(b)为上臂固定部的侧视图，上臂固定部10用于固定患者上臂，包括臂托支架11、可调整臂托12、弹性按压块13、固定臂托14以及弹性透气绑带(图中未标明)。
臂托支架11构成上臂固定部10的主体，上部具有变直径槽111。
可调整臂托12设置在臂托支架11的上端，通过弹性按压块13与变直径槽111连接，从外侧按压弹性按压块13使可调整臂托12在变直径槽111内滑动，根据患者手臂的实际长度确定可调整臂托12的位置。
固定臂托14设置在臂托支架11的中部。
在本实施例中，可调整臂托12以及固定臂托14通过弹性透气绑带固定患者上臂。
如图2所示，2(a)为穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的内部结构的外侧视图，2(b)为该内部结构的内侧视图，连接部20包括内侧连接板21、中间连接板22以及外侧连接板23。
内侧连接板21的外侧与上臂固定部10的下端连接，在本实施例中内侧连接板21与上臂固定部10的连接方式为通过螺钉固定连接。
减速电机30设置在内侧连接板21与外侧连接板23之间、中间连接板22上，用于驱动穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置100运动，在本实施例中减速电机30与内侧连接板21以及外侧连接板23之间的连接方式为通过螺纹固定连接。
在本实施例中减速电机具有行星减速机构以及直齿轮减速机构，传动比为1000，行星减速机构的减速比为10，直齿轮减速机构的传动比100，所述减速电机的输入转矩为3mNM，输出转矩为3000mNM。
传动单元40包括主动轮41、从动轮42、同步带43以及异形轴44。
主动轮41设置在外侧连接板23的上部，与减速电机30连接，并在所述减速电机的带动下转动，在本实施例中主动轮41与外侧连接板23之间的连接方式为通过螺钉固定连接。
从动轮42设置在外侧连接板23的下部，通过同步带43与主动轮41连接，在主动轮41以及同步带43的带动下转动，在本实施例中从动轮42与外侧连接板23之间的连接方式为通过螺钉固定连接。
图4是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的异形轴结构示意图。
如图4所示，异形轴44包括同步带轮固定轴位441、卷簧固定轴位442、前臂旋转部固定轴位443以及异形轴轴端444。
同步带轮固定轴位441从外向内依次与从动轮42以及外侧连接板23连接，用于在动轮42的带动下转动。
图5是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的异形轴与卷簧、前臂旋转部装配结构示意图。
如图5所示，5(a)为该装配结构的立体图，5(b)为该装配结构的剖视图，卷簧50以及中间连接板22套设在卷簧固定轴位442上，卷簧50具有内钩51以及外钩52。
内钩51与异形轴44连接，在异形轴44连接的带动下压缩，回弹时带动异形轴44转动，减轻减速电机30的负担。
图6是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的前臂旋转部结构示意图。
如图5、6所示，前臂旋转部60具有方孔61、圆弧状的限位滑槽62以及限位销63。
方孔61套接在前臂旋转部固定轴位443上，并处在中间连接板22与内侧连接板21之间。
限位滑槽62用于限制前臂旋转部60的旋转范围，在本实施例中前臂旋转部60的旋转范围为0°-120°，当前臂旋转部60处于0°时，卷簧50为自由状态；当前臂旋转部60处于120°时，卷簧50为最大压缩状态；当前臂旋转部60从120°向0°旋转时，卷簧50释放存储的弹性势能带动异形轴44转动，进而带动前臂旋转部60转动，减轻减速电机30的负担。
限位销63，穿过并固定外侧连接板23、中间连接板22限位滑槽62、以及内侧连接板21，还与外钩52连接。
异形轴轴端444通过薄臂轴承45与内侧连接板21连接。
前臂固定部70用于固定前臂，结构与上臂固定部相似，与前臂旋转部60连接，并在其带动下运动。
图7是本发明的实施例中穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置的控制过程示意图。
如图7所示，控制部80具有信号生成单元81、驱动单元82以及反馈电位器83。
信号生成单元81用于生成并输出PWM信号，包括控制器811以及PWM信号发生器812。
控制器811配备在患者的健侧，供患者手动控制。
PWM信号发生器812在本实施例中为555定时器可调PWM信号发生器，与控制器811连接，并在控制器811的控制下输出占空比可调的PWM信号。
在本实施例中，信号生成单元81由控制器811以及PWM信号发生器812组成，在实际应用中，信号生成单元81还可以由肌电信号采集器以及单片机组成，肌电信号采集器设置在前臂固定部70的弹性透气绑带内，用于采集肌电信号，并对该肌电信号进行滤波、放大以及模数转换处理，得到肌电信号的特征值，然后由单片机将该特征值与前臂的既有的肌电信号特征值进行比对，并向所述驱动单元输出对应既有的肌电信号特征值占空比的PWM信号。
驱动单元82具有驱动ICAA51880微型板(内置H桥电路)821、光耦隔离电路822以及L298驱动823。
驱动IC AA51880微型板821与555定时器可调PWM信号发生器812连接，用于提供正转、反转控制信号。
光耦隔离电路822与驱动IC AA51880微型板821连接，用于除去信号干扰。
L298驱动823与光耦隔离电路822以及减速电机30连接，用于放大信号并驱动减速电机30。
反馈电位器83与驱动ICAA51880微型板821连接，具有旋转电刷，该旋转电刷与异形轴轴端444连接，用于反馈前臂旋转部60的旋转位置，进而将减速电机30的运行状态反馈给驱动IC AA51880微型板821，形成控制减速电机30的闭合回路，这种闭环控制，可以提高控制系统的可靠性和实时性，。
在本实施例中，555定时器可调PWM信号发生器812以及驱动单元均设置在一个主板上，该主板设置在外侧连接板23的外侧。
上臂外壳90套设在外侧连接板23、主板以及反馈电位器83的外侧，并且与反馈电位器83连接，在本实施例中，上臂外壳90与外侧连接板23通过卡隼连接。
单片机设置在外侧连接板23与上臂外壳90之间。
在本实施例中，多采用圆或圆弧的圆融式外观设计。
穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置100的工作过程为：患者用弹性透气绑带将患病的手臂的上臂固定在上臂固定部10，将前臂固定在前臂固定部70。患者手动控制控制器811，PWM信号发生器812输出占空比可调的PWM信号，PWM信号经过驱动IC AA51880微型板(内置H桥电路)821、光耦隔离电路822以及L298驱动823处理后控制减速电机30运动，减速电机30依次带动主动轮41、同步带43、从动轮42以及异形轴44转动，异形轴44带动卷簧50以及前臂旋转部60转动，前臂旋转部60带动固定着患者前臂的前臂固定部70运动，电位器831反馈前臂旋转部60的旋转位置以及速度给驱动IC AA51880微型板821，在驱动ICAA51880微型板821处与目标PWM信号进行比对，如果有差异，继续经由驱动单元82驱动减速电机30，直到电位器831反馈的信息达到目标PWM信号的要求，减速电机30停止工作。
实施例的作用与效果
根据本实施例所提供的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，因为设计了卷簧，前臂外展时卷簧压缩，卷簧回弹时释放存储的弹性势能，带动前臂内收，有助于减轻电机负担；前臂旋转块部设置了限位槽，使前臂旋转部在0°至120°范围内旋转，该角度范围满足日常生活的常用手臂功能位，一方面起到安全保护和稳固结构的作用，另一方面，可以相应选择更加轻巧的卷簧以及电机，以此减轻整个康复训练装置的重量；控制方式灵活，既可以采用在患者健侧配备控制器，进行手动控制，又可以通过在弹性绑带中添加肌电信号采集电极，采集肌电信号数据用于电机控制和康复效果测评；设置反馈电位器，形成闭环控制，提高控制系统可靠性和实时性，所以，本发明的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置具有整体结构紧凑、所占空间小、重量轻、具有高传动比、高转矩输出，控制方式灵活的特点，允许病人在不同阶段，可以在不依靠专业医师或者在户外的情况下，自主进行训练并辅助日常生活，可有效改善手臂神经受损、脊髓受损、中风和其他神经肌肉受损患者的生活，提高术后康复训练效果，打破了原有上肢康复机器人体积大，便携性差，无法辅助日常生活的现状。此外，本实施例多采用圆或圆弧的圆融式外观设计，可以减轻患者的压力。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，其特征在于，包括：
上臂固定部，用于固定患者的上臂；
连接部，与所述上臂固定部连接；
减速电机，设置在所述连接部内，用于驱动所述穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置运动；
传动单元，与所述连接部以及所述减速电机连接；
前臂旋转部，与所述传动单元连接，在所述减速电机的带动下旋转，具有用于限制所述前臂旋转部在一定角度范围内进行旋转的限位滑槽；
前臂固定部，与所述前臂旋转部连接，用于固定患者的前臂；
控制部，与所述减速电机连接，用于对所述减速电机进行控制，具有信号生成单元、驱动单元以及反馈电位器，
所述信号生成单元用于生成并输出PWM信号，
所述驱动单元用于处理所述PWM信号，并根据所述PWM信号驱动所述减速电机，
反馈电位器，与所述传动单元以及所述驱动单元连接，用于反馈所述前臂旋转部的旋转位置；以及
上臂外壳，套设在所述连接部的外侧。
2.根据权利要求1所述的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，其特征在于：
其中，所述连接部包括内侧连接板、中间连接板以及外侧连接板，
所述内侧连接板的一侧与所述上臂固定部连接，另一侧与所述减速电机连接，
所述外侧连接板与所述减速电机连接，
所述内侧连接板、中间连接板以及外侧连接板均与所述传动单元连接。
3.根据权利要求1所述的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，其特征在于：
其中，所述减速电机具有行星减速机构以及直齿轮减速机构，传动比为1000，所述行星减速机构的减速比为10，所述直齿轮减速机构的传动比100，所述减速电机的输入转矩为3mNM，输出转矩为3000mNM。
4.根据权利要求1所述的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，其特征在于：
其中，所述传动单元包括主动轮、从动轮、同步带以及异形轴，
所述主动轮与所述减速电机连接，并在所述减速电机的带动下转动，
所述从动轮通过同步带与所述主动轮连接，在所述主动轮以及所述同步带的带动下转动，
所述异形轴，与所述从动轮以及所述前臂旋转部连接，用于带动所述前臂旋转部进行旋转。
5.根据权利要求4所述的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，其特征在于，还包括：
卷簧，
其中，所述卷簧套设在所述异形轴上，回弹时释放存储的弹性势能带动所述异形轴转动。
6.根据权利要求1所述的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，其特征在于：
其中，所述限位滑槽限制所述前臂旋转部的旋转范围是0°-120°。
7.根据权利要求1所述的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，其特征在于：
其中，所述上臂固定部还具有用于对患者的上臂进行固定的弹性透气绑带，
所述前臂固定部还具有用于对患者的前臂进行固定的弹性透气绑带。
8.根据权利要求1所述的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，其特征在于：
其中，所述信号生成单元包括配备在患者健侧的控制器以及用于发射信号的555定时器可调PWM信号发生器。
9.根据权利要求1所述的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，其特征在于：
其中，所述信号生成单元包括肌电信号采集器以及单片机，
所述肌电信号采集器设置在所述前臂固定部上的所述弹性透气绑带内，用于采集肌电信号，并对该肌电信号进行处理，
所述单片机用于将经过处理的所述肌电信号的特征值与所述前臂的既有的肌电信号特征值进行比对，并向所述驱动单元输出对应所述既有的肌电信号特征值占空比的PWM信号。
10.根据权利要求1所述的穿戴式肘关节康复训练和生活辅助装置，其特征在于：
所述驱动单元包括驱动IC AA51880微型板(内置H桥电路)、光耦隔离电路以及L298驱动。
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