CN109363886B - 一种肘关节康复训练装置及实现方法 - Google Patents

一种肘关节康复训练装置及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种肘关节康复训练装置及实现方法，所述肘关节康复训练装置包括气动柔性驱动器以及关节固定带，气动柔性驱动器与关节固定带联接，使用者在肩部、肘部以及腕部佩戴关节固定带。关节固定带通过弹性绷带和魔术扣使其能固定在关节位置保持不变。气动柔性驱动器通过关节固定带驱动患者关节运动。本发明引入了气动柔性驱动器进行康复训练，气动柔性驱动器直接驱动患者关节运动，实现了康复训练，代替了传统的刚性驱动器，省去了中间传动机构，通过弹性绷带和魔术扣将关节固定带固定在关节位置，取代了传统机器人的连杆机构，实现肘关节康复训练装置与患者的柔性接触。

Description

一种肘关节康复训练装置及实现方法
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体涉及一种肘关节康复训练装置及实现方法。
背景技术
随着老龄化趋势的加快以及中青年人群过度劳累现象的加剧，在居民中出现了大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状，运动功能受到了一定的损伤，医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术和药物治疗外，科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复起到非常重要的作用。
康复训练装置的主要作用是通过机器人带动患者的肢体运动，对肢体运动障碍的患者进行运动机能的康复训练。作为一种自动化康复医疗设备，它以医学理论为依据，帮助患者进行科学而又有效的康复训练，使患者的运动机能得到更好的恢复。国外内大量研究表明，康复训练装置可以为不同康复状态等级的患者提供所需的康复训练方式，大大减轻了康复医师的负担，实现了一对多的康复训练方法，缩短康复时间并提高康复效果，增强患者的康复信心，并能提供病人的人体运动学，生理学数据，为医师改进和优化康复方案提供客观依据。
现有的肘关节康复训练装置系统多采用液压缸、气压缸、电机等刚性驱动器，由于调节不够灵活、运动不够柔顺可能出现超行程而造成危险；此外驱动器体积较大，影响患者的康复体验，而且大量的驱动设备重量比较大，不易进行控制，容易对患者造成二次伤害。随着机器人技术的发展，考虑到人体的安全与舒适，国内外高校对气动驱动方式进行了深入的研究探讨，肘关节康复训练装置需要与人体长期的直接接触，机器人的柔性成为了机器人结构研究的热点方向。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足,设计了一种基于气动肌肉驱动的肘关节康复训练装置及控制方法。解决现有技术的肘关节康复训练装置由于使用刚性驱动器造成装置笨重、柔顺差，而且存在安全隐患的问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供的一种肘关节康复训练装置，包括气动柔性驱动器、关节固定带和控制系统；
所述的气动柔性驱动器包括第一气动肌肉和第二气动肌肉；
所述的控制系统用于控制所述的第一气动肌肉驱动肘关节屈曲和伸展；
所述的控制系统用于控制所述的第二气动肌肉驱动手臂内旋和外旋；
所述的关节固定带，用于固定在使用者的肩部、肘部以及腕部；且所述的第一气动肌肉和第二气动肌肉固定在所述的关节固定带上。
进一步的，所述的关节固定带包括分体设置的或者一体设置的腕部关节固定带、肘部固定带和肩部固定带。
进一步的，所述的第一气动肌肉包括气动肌肉A和气动肌肉B，气动肌肉A收缩，同时气动肌肉B伸展，肘关节实现屈曲；气动肌肉A伸展，同时气动肌肉B收缩，肘关节进行伸展运动。
进一步的，所述的气动肌肉A两端固定于腕部关节固定带上端前侧和肩部关节固定带下端前侧；气动肌肉B一端固定于肩部关节固定带下端后侧，穿过肘部关节固定带后侧，另一端固定于腕部关节固定带上端后侧。
进一步的，所述的第二气动肌肉包括气动肌肉C和气动肌肉D，气动肌肉C收缩，同时气动肌肉D伸展，手臂内旋运动；气动肌肉C伸展，同时气动肌肉D收缩，手臂外旋运动。
进一步的，所述的气动肌肉C、气动肌肉D交叉固定，气动肌肉C的一端固定于腕部关节固定带左侧，另一端固定在肘部关节固定带右侧；所述的气动肌肉D的一端固定于腕部关节固定带右侧，另一端固定在肘部关节固定带左侧。
进一步的，所述第一气动肌肉和第二气动肌肉各自包括橡胶管、纤维编织网、内牙宝塔接口、气动堵头；
所述的纤维编织网套在橡胶管外部，两端通过固定件固定在一起；纤维编织网和橡胶管的一端连接内牙宝塔接口，该接口设置进气口，另一端通过堵头进行密封。
进一步的，所述的控制系统包括控制器、气泵、气压传感器和比例阀，所述的气压传感器检测气动肌肉内部气压大小，所述的气泵作为气压源，在其气体出口位置设置气压传感器；所述的控制器控制气泵注入气体的量，并根据气压传感器检测的数据调节比例阀的大小。
具体的制作方法如下：
制作气动肌肉；
截取橡胶管，外套等长的纤维编织网；将橡胶管和纤维编织网的一侧穿过三角吊环螺母并折叠后用喉箍密封；另一侧先套入圆形吊环螺母后插入嫩芽宝塔接口接螺纹端并用喉箍密封，气动肌肉制作完成；
在腕部关节固定带左右两侧及上端前后侧，肘部固定带左右及后侧，肩部固定带下端前后侧打孔；
分别将气动肌肉A两端固定于腕部关节固定带上端前侧和肩部关节固定带下端前侧；
气动肌肉B一端固定于肩部关节固定带下端后侧，穿过肘部关节固定带后侧，另一端固定于腕部关节固定带上端后侧；
气动肌肉C、气动肌肉D交叉固定于腕部关节固定带左右以及肘部关节固定带左右侧；
气动肌肉C的一端固定于腕部关节固定带左侧，另一端固定在肘部关节固定带右侧；所述的气动肌肉D的一端固定于腕部关节固定带右侧，另一端固定在肘部关节固定带左侧。
当气动柔性驱动器内部气压低于预设气压时，控制器调整比例阀，气体持续进入气动柔性驱动器，内部气压增大，气动柔性驱动器弯曲；当内部气压达到临界值时，控制器调节比例阀，气体从气阀流出不再进入气动柔性驱动器，使得气动柔性驱动器保持弯曲角度。
本发明中气动柔性驱动器与关节固定带联接，使用者在肩部、肘部以及腕部佩戴关节固定带。关节固定带通过弹性绷带和魔术扣使其能固定在关节位置保持不变。气动柔性驱动器通过关节固定带驱动患者关节运动。
气动柔性驱动器采用气动肌肉，其长度与行程满足康复训练要求，避免因行程问题对患者造成二次伤害，由此，解决了刚性驱动器超行程造成的危险。第一气动肌肉组和第二气动肌肉组可共同作用实现肘关节屈曲/伸展和内旋/外旋的康复运动组合。
本康复运动将气动肌肉组的直线运动变为弯曲，旋转运动，从气动肌肉一端输入气压使得橡胶管膨胀，由于斜纹纤维编织网的特性，在其半径增大时，其长度会缩小，致使气动肌肉整体收缩。气动肌肉的收缩会带动关节固定带所固定的人体关节进行屈伸，内旋外旋动作。其中气动肌肉A收缩使得肘关节屈曲，气动肌肉B收缩使得肘关节伸展，气动肌肉C收缩使得肘关节内旋，气动肌肉D收缩使得肘关节外旋。
本发明有益效果在于：
引入了气动柔性驱动器进行康复训练，气动柔性驱动器直接驱动患者关节运动，实现了康复训练，代替了传统的刚性驱动器，省去了中间传动机构，通过弹性绷带和魔术扣将关节固定带固定在关节位置，取代了传统机器人的连杆机构，实现肘关节康复训练装置与患者的柔性接触。由于气动柔性驱动器相较现有采用刚性驱动器的康复训练装置，取代了刚性驱动器、刚性连接机构、中间传动机构，其体积小，重量轻，成本低，具有更好的柔顺性与安全性，适于应用于患者上肢肘关节的康复训练。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为气动肌肉结构图；
图2为整体结构示意图；
图3、图4为肘关节屈曲/伸展运动示意图；
图5为控制系统原理图；
图6气动肌肉气压与收缩率的关系；
图7本发明在使用状态示意图；
图中：1-内牙宝塔接口，2-进气口，3-纤维编织网，4-橡胶管，5-气动堵头，6-人体上臂，7-气动肌肉A，8-肘部屈曲/伸展关节，9-气动肌肉B，10-前臂，11-肘部内旋/外旋关节，12-气动肌肉D，13-气动肌肉C,14-吊环螺母。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”、“前”“后”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右、前、后方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中现有的肘关节康复训练装置系统多采用液压缸、气压缸、电机等刚性驱动器，由于调节不够灵活、运动不够柔顺可能出现超行程而造成危险；此外驱动器体积较大，影响患者的康复体验，而且大量的驱动设备重量比较大，不易进行控制，容易对患者造成二次伤害。随着机器人技术的发展，考虑到人体的安全与舒适，国内外高校对气动驱动方式进行了深入的研究探讨，肘关节康复训练装置需要与人体长期的直接接触，机器人的柔性成为了机器人结构研究的热点方向，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种肘关节康复训练装置及实现方法。
本申请的一种典型的实施方式中，肘关节康复训练装置包括气动柔性驱动器以及关节固定带，气动柔性驱动器与关节固定带联接，使用者在肩部、肘部以及腕部佩戴关节固定带。关节固定带通过弹性绷带和魔术扣使其能固定在关节位置保持不变。气动柔性驱动器通过关节固定带驱动患者关节运动。
如图2和图3所示，气动柔性驱动器采用气动肌肉，其长度与行程满足康复训练要求，避免因行程问题对患者造成二次伤害，由此，解决了刚性驱动器超行程造成的危险。
气动柔性驱动器包括第一气动肌肉和第二气动肌肉；第一气动肌肉包含两根气动肌肉，分别实现肘关节的屈曲和伸展，气动肌肉A7收缩，同时气动肌肉B9伸展，肘关节实现屈曲；气动肌肉A7伸展，同时气动肌肉B9收缩，肘关节进行伸展运动。因为气动肌肉A设置在胳膊内圈；气动肌肉B设置在胳膊外圈；因此气动肌肉B的长度要大于气动肌肉A的长度。
第二气动肌肉组由气动肌肉C 13和气动肌肉D 12组成，分别驱动手臂内、外旋。气动肌肉C 13收缩，同时气动肌肉D 12伸展，手臂内旋运动；气动肌肉C13伸展，同时气动肌肉D12收缩，手臂外旋运动；气动肌肉C 13和气动肌肉D12可以相同。
第一气动肌肉和第二气动肌肉可共同作用实现肘关节屈曲/伸展和内旋/外旋的康复运动组合。
如图6所示，关节固定带包括分体设置的或者一体设置的腕部关节固定带、肘部固定带和肩部固定带，用于固定人体的腕部、肘部和肩部。
如图1所示，所述气动肌肉包括橡胶管4、纤维编织网3、喉箍、内牙宝塔接口1、气动堵头5、进气口2。气动肌肉主要由内部密闭橡胶管和外部纤维编织网构成，内部为内径14毫米，外径19毫米的高弹性医用橡胶管，外部为半径20毫米的斜纹纤维编织网，编织网套在橡胶管外部并用喉箍将两端固定，一端连接内牙宝塔接口并用喉箍密封，另一端用气动堵头和喉箍密封。本装置共有4条气动肌肉，长度分别为273毫米，359毫米，254毫米和256毫米。
如图4所示，肘关节康复系统包括在气泵、控制器、比例阀、气动肌肉组和气压传感器，气泵作为气压源，气动肌肉作为执行器，气压传感器检测气动肌肉内部气压，控制器控制气泵注入气体，并通过气压传感器检测的数据调节比例阀。
本康复运动将气动肌肉组的直线运动变为弯曲，旋转运动，从气动肌肉一端输入气压使得橡胶管膨胀，由于斜纹纤维编织网的特性，在其半径增大时，其长度会缩小，致使气动肌肉整体收缩。气动肌肉的收缩会带动关节固定带所固定的人体关节进行屈伸，内旋外旋动作。其中气动肌肉A收缩使得肘关节屈曲，气动肌肉B收缩使得肘关节伸展，气动肌肉C收缩使得肘关节内旋，气动肌肉D收缩使得肘关节外旋。气动肌肉气压与收缩率关系如图5所示；
εi-收缩率L0-气动肌肉初始长度Li-气动肌肉实际长度；
R2-确定系数，越接近于1，线性度越好
具体的实现方法：
分别截取长度为390，480，320和330毫米的橡胶管，在每个橡胶管的外套与其等长的纤维编织网；将纤维编织网和橡胶管一侧穿过三角吊环螺母并折叠后用喉箍密封；另一侧先套入圆形吊环螺母后插入嫩芽宝塔接口接螺纹端并用喉箍密封，气动肌肉制作完成；
其中，390mm长的气动肌肉作为附图中的气动肌肉A；480mm长的气动肌肉作为附图中的气动肌肉B；320mm长的气动肌肉作为附图中的气动肌肉C；330mm长的气动肌肉作为附图中的气动肌肉D；
在腕部关节固定带左右两侧及上端前后侧，肘部固定带左右及后侧，肩部固定带下端前后侧打孔；
分别将气动肌肉A两端固定于腕部关节固定带上端前侧和肩部关节固定带下端前侧；具体的，将气动肌肉A两端的吊环螺母14固定在腕部关节固定带和肩部关节固定带上。
气动肌肉B一端固定于肩部关节固定带下端后侧，穿过肘部关节固定带后侧，另一端固定于腕部关节固定带上端后侧；具体的，将气动肌肉B两端的吊环螺母固定在肩部关节固定带和腕部关节固定带上。
气动肌肉C、气动肌肉D交叉固定于腕部关节固定带左右以及肘部关节固定带左右侧；气动肌肉C的一端固定于腕部关节固定带左侧，另一端固定在肘部关节固定带右侧；具体的，将气动肌肉C两端的吊环螺母固定在腕部关节固定带和肘部关节固定带上。
所述的气动肌肉D的一端固定于腕部关节固定带右侧，另一端固定在肘部关节固定带左侧；具体的，将气动肌肉D两端的吊环螺母固定在腕部关节固定带和肘部关节固定带上。
当驱动器内部气压低于预设气压时，调整比例阀，气体持续进入驱动器，内部气压增大，驱动器弯曲。当内部气压达到临界值时，控制器调节比例阀，气体从气阀流出不再进入驱动器，使得驱动器保持弯曲角度。
本发明引入了气动柔性驱动器进行康复训练，气动柔性驱动器直接驱动患者关节运动，实现了康复训练，代替了传统的刚性驱动器，省去了中间传动机构，通过弹性绷带和魔术扣将关节固定带固定在关节位置，取代了传统机器人的连杆机构，实现肘关节康复训练装置与患者的柔性接触。由于气动柔性驱动器相较现有采用刚性驱动器的康复训练装置，取代了刚性驱动器、刚性连接机构、中间传动机构，其体积小，重量轻，成本低，具有更好的柔顺性与安全性，适于应用于患者上肢肘关节的康复训练。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种肘关节康复训练装置，其特征在于，包括气动柔性驱动器、关节固定带和控制系统；
所述的气动柔性驱动器包括第一气动肌肉和第二气动肌肉；
所述的控制系统用于控制所述的第一气动肌肉驱动肘关节屈曲和伸展；
所述的控制系统用于控制所述的第二气动肌肉驱动手臂内旋和外旋；
所述的关节固定带，用于固定在使用者的肩部、肘部以及腕部；且所述的第一气动肌肉和第二气动肌肉固定在所述的关节固定带上；
所述的关节固定带包括分体设置的或者一体设置的腕部关节固定带、肘部固定带和肩部固定带；
所述的第二气动肌肉为气动肌肉C和气动肌肉D，气动肌肉C收缩，同时气动肌肉D伸展，手臂内旋运动；气动肌肉C伸展，同时气动肌肉D收缩，手臂外旋运动；
所述的气动肌肉C、气动肌肉D交叉固定，气动肌肉C的一端固定于腕部关节固定带左侧，另一端固定在肘部关节固定带右侧；所述的气动肌肉D的一端固定于腕部关节固定带右侧，另一端固定在肘部关节固定带左侧；
所述的气动肌肉A两端固定于腕部关节固定带上端前侧和肩部关节固定带下端前侧；气动肌肉B一端固定于肩部关节固定带下端后侧，穿过肘部关节固定带后侧，另一端固定于腕部关节固定带上端后侧。
2.如权利要求1所述的肘关节康复训练装置，其特征在于，所述的第一气动肌肉包括气动肌肉A和气动肌肉B，气动肌肉A收缩，同时气动肌肉B伸展，肘关节实现屈曲；气动肌肉A伸展，同时气动肌肉B收缩，肘关节进行伸展运动。
3.如权利要求1所述的肘关节康复训练装置，其特征在于，所述第一气动肌肉和第二气动肌肉各自包括橡胶管、纤维编织网、接口、气动堵头；
所述的纤维编织网套在橡胶管外部，两端通过固定件固定在一起；纤维编织网和橡胶管的一端连接接口，该接口设置进气口，另一端通过气动堵头进行密封。
4.如权利要求1所述的肘关节康复训练装置，其特征在于，所述的控制系统包括控制器、气泵、气压传感器和比例阀，所述的气压传感器检测气动肌肉内部气压大小，所述的气泵作为气压源，在其气体出口位置设置气压传感器；所述的控制器控制气泵注入气体的量，并根据气压传感器检测的数据调节比例阀的大小。
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