CN110037892B - 形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练装置,包括形状记忆合金驱动器模块、肩关节运动模块、两组上臂杆、两组肘关节运动模块、前臂杆、腕关节运动模块,两组上臂杆套接于上臂位置,前臂杆套接于前臂位置,腕关节运动模块套接于腕部并供使用者手持,通过多个形状记忆合金驱动器和绳索带动肩关节运动模块、肘关节运动模块运动,进而实现上肢的动作。本发明可以辅助患者实现上肢肩关节前屈/后伸、外旋/内旋,肘关节伸展/屈曲,腕关节外展/内收,背屈/掌屈,足够满足主要的康复训练动作。

Description

形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练装置及方法
技术领域
本发明涉及医疗康复训练器材领域,具体是一种形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练装置及方法。
背景技术
据统计,中国脑卒中患者约800万人,每年新发病例约150万人,因病和其他意外事故导致上肢运动障碍的病人数量逐年上升。康复医学的研究结果表明,神经系统具有自我重塑性,运动康复训练能够重新建立肢体与脑部损伤中枢神经间的联系,逐步刺激促使脑部损伤部位康复,达到对肢体行为的有效控制。因此,通过辅助患者肢体运动,附加相应药物治疗,患者通过长期、重复训练,可以显著减轻病情,恢复受损脑部神经功能。传统的康复训练由专业理疗师徒手对患者完成,存在专业人才匮乏、效率低、成本高、操作场合受限的缺点。相反,机器人成功应用在许多工作时间长、任务繁重的行业中,能够准确重复预定动作,因而更加适合上肢运动障碍患者的康复训练。
中国发明专利公开号:CN102499857A公开了一种外骨骼可穿戴式上肢康复机器人,包括肩关节外骨骼,肘关节外骨骼,腕关节外骨骼,手部外骨骼,驱动电机及传动部。仅能实现电机驱动下的患者被动康复训练,无法满足不同康复阶段患者对训练模式的需求。
中国发明专利公开号:CN103845184A公开了一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统,包括支撑座椅,上臂环,前臂环,绳索及驱动装置。该装置仅靠上臂环、前臂环承担患者上肢重量,极易在康复过程中对患者造成二次伤害,康复训练模式单一。
发明内容 为了解决现有技术中存在的问题,本发明的目的在于提供一种形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练装置及方法,增加装置的柔弹性,提供主被动模式下的康复训练功能。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案为:
形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练装置,其特征在于:包括形状记忆合金驱动器模块、肩关节运动模块、两组上臂杆、两组肘关节运动模块、前臂杆、腕关节运动模块,其中:
肩关节运动模块包括十字万向方块体,十字万向方块体其中两个相对侧面分别设有肩关节连接板,两肩关节连接板各自一端分别通过转轴转动连接于十字万向方块体对应侧面,每个肩关节连接板还分别紧贴固定连接有肩关节安装板,其中一个肩关节连接板的转轴的轴端还同轴固定连接有绳鼓,十字万向方块体另外两个相对侧面分别设有上臂连接板,两上臂连接板各自一端分别通过转轴转动连接于十字万向方块体对应侧面,两个上臂连接板板端延伸方向与肩关节安装板板端延伸方向相反,即上臂连接板板端向远离驱动器安装平板的方向延伸,其中一个上臂连接板的转轴轴端还同轴固定连接有绳鼓,每个绳鼓上均有两段旋向相反的螺纹,两绳鼓分别随各自连接的转轴共同转动;
每组上臂杆分别包括上臂调节机构、上臂支撑杆、上臂托架,其中上臂支撑杆轴向一端穿入并连接于上臂调节机构,并由上臂调节机构调节上臂支撑杆的穿出长度,上臂托架通过卡箍套装固定于上臂支撑杆,所述肩关节运动模块中,两上臂连接板一一对应与两组上臂杆的上臂调节机构固定连接;
每组肘关节运动模块分别包括一对肘关节支撑架,以及滑动轴承座、肘关节连接杆、肘关节转动架、肘关节连接架,每组肘关节运动模块中,两肘关节支撑架之间固定连接有导杆,滑动轴承座中心装配有自润滑轴承,且滑动轴承座通过自润滑轴承滑动安装于导杆上,滑动轴承座一侧侧面还连接有绳钩,肘关节连接杆一端固定连接滑动轴承座,肘关节连接杆另一端穿过其中一个肘关节支撑架,肘关节转动架一端通过转轴转动连接于肘关节连接杆另一端,肘关节转动架另一端连接肘关节连接架,每个肘关节支撑架对应于肘关节转动架另一端方向的侧面分别连接有夹持杆,每个夹持杆杆端分别连接有卡箍,其中供肘关节连接杆穿过的肘关节支架中与夹持杆所在侧面相邻的另一侧面安装有肘关节运动滑轮组,且肘关节运动滑轮组所在方向与绳钩所在方向相反;两组上臂杆中的上臂支撑杆轴向另一端一一对应固定连接两组肘关节运动模块中的肘关节连接架,且肘关节运动模块中夹持杆连接的卡箍套装固定于对应的上臂支撑杆;
前臂杆包括一对相对设置的前臂支撑杆,以及前臂调节机构、前臂托架,两前臂支撑杆各自一端一一对应通过转轴转动连接于两组肘关节运动模块中的肘关节连接架,每个前臂支撑杆各自另一端与前臂调节机构之间分别固定连接有导杆,两个前臂支撑杆连接的导杆轴向相互平行,以前臂支撑杆彼此相对的一面为内侧面,每个前臂支撑杆内侧面靠近前臂调节机构位置分别固定连接有一对滚珠丝杆轴承座,每个前臂支撑杆上两滚珠丝杆轴承座之间分别转动连接有滚珠丝杆,滚珠丝杆的轴向分别平行于导杆,每个滚珠丝杆一端分别穿入并连接前臂调节机构,由前臂调节机构驱动滚珠丝杆转动,每个滚珠丝杆上分别螺合安装有滚珠丝杆螺母座,且滚珠丝杆螺母座同时滑动装配在滚珠丝杆对应前臂支撑杆连接的导杆上,前臂托架固定于两前臂支撑杆;
腕关节运动模块包括一对同轴相对的分别呈环形的腕关节基座,两腕关节基座之间固定连接有多个双程形状记忆合金弹簧,每个双程形状记忆合金弹簧604轴向分别平行于腕关节基座轴向,其中一个腕关节基座周向侧面通过腕关节支架固定连接前臂杆中的两个滚珠丝杆螺母座,以该腕关节基座作为固定端,另一个腕关节基座作为自由端,自由端连接有一对手柄支架,两手柄支架分别平行于腕关节基座轴向,两手柄支架端部之间连接有握持手柄;
形状记忆合金驱动器模块包括驱动器安装平板,驱动器安装平板一侧板面设有八个形状记忆合金驱动器,肩关节运动模块中每个肩关节安装板板端分别固定连接驱动器安装平板另一侧板面,驱动器安装平板的周向侧面设有多个分别与形状记忆合金驱动器一一对应配合的滑轮组,每个形状记忆合金驱动器分别由一对驱动器基座、多个滑块导杆、运动滑块、单程形状记忆合金弹簧构成,每个形状记忆合金驱动器中,两驱动器基座固定于驱动器安装平板并且彼此相对,多个滑块导杆平行固定连接于两个驱动器基座之间,运动滑块滑动装配在多个滑块导杆上,单程形状记忆合金弹簧固定连接于其中一个驱动器基座和该驱动器基座对应方向的运动滑块一端之间,且单程形状记忆合金弹簧轴向平行于滑块导杆,运动滑块另一端连接有绳索,绳索穿过运动滑块另一端对应方向的驱动器基座后再绕过该形状记忆合金驱动器对应的滑轮组;
八个形状记忆合金驱动器均分为四组,其中:
第一组中两个形状记忆合金驱动器的绳索分别延伸至肩关节运动模块中一个绳鼓位置,第一组中一个形状记忆合金驱动器的绳索从一个方向缠绕固定于该绳鼓的一段螺纹上,第一组中另一个形状记忆合金驱动器的绳索从另一个方向缠绕固定于该绳鼓的另一段螺纹上;
第二组中两个形状记忆合金驱动器的绳索分别延伸至肩关节运动模块中另一个绳鼓位置,第二组中一个形状记忆合金驱动器的绳索从一个方向缠绕固定于该绳鼓的一段螺纹上,第二组中另一个形状记忆合金驱动器的绳索从另一个方向缠绕固定于该绳鼓的另一段螺纹上;
第三组中两个形状记忆合金驱动器的绳索分别延伸至一组肘关节运动模块中滑动轴承座的绳钩位置,并在不同方向固定于该绳钩上;
第四组中两个形状记忆合金驱动器的绳索分别延伸至另一组肘关节运动模块中滑动轴承座的绳钩位置,并在不同方向固定于该绳钩上。
所述的形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练装置,其特征在于:每组上臂杆中的上臂调节机构分别包括齿轮箱,齿轮箱内转动安装有一对圆锥齿轮,其中一个圆锥齿轮的轮轴穿出齿轮箱并同轴固定连接有旋转手柄,另一个圆锥齿轮的轮轴通过深沟球轴承同轴连接至一个滚珠丝杆的一端,滚珠丝杆另一端转动连接于齿轮箱,滚珠丝杆上螺合安装有螺母连接座,每组上臂杆中的上臂支撑杆轴向一端穿入齿轮箱并固定连接于螺母连接座,通过转动旋转手柄使滚珠丝杆转动,进而使螺母连接座带动上臂支撑杆运动,实现对上臂支撑杆穿出长度的调节,所述肩关节运动模块中两上臂连接板一一对应紧贴固定于两组上臂杆中齿轮箱外侧面。
所述的形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练装置,其特征在于:前臂杆中的前臂调节机构包括齿轮箱,齿轮箱上通过旋转轴转动安装有旋转手柄,旋转轴一端穿入齿轮箱并通过深沟球轴承转动连接有主圆锥齿轮,每个前臂支撑杆上的滚珠丝杆一端分别穿入齿轮箱并固定连接有圆锥齿轮,两滚珠丝杆连接的圆锥齿轮分别在不同方向与主圆锥齿轮传动啮合。
形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一:手握住握持手柄并将人体前臂和上臂固定在前臂拖架和上臂托架上,分别旋转前臂、上臂调节机构的旋转手柄,使前臂杆、上臂杆长度符合患者身材尺寸,驱动器恢复至初始状态;
步骤二:在被动康复模式下,肩关节外旋驱动器的形状记忆合金弹簧受热收缩,通过绳索拉动绳鼓,带动装置实现外旋运动,同时拉伸内旋驱动器的形状记忆合金弹簧;肩关节内旋驱动器的形状记忆合金弹簧受热收缩,通过绳索拉动绳鼓,带动装置实现内旋运动,同时拉伸外旋驱动器的形状记忆合金弹簧;
步骤三:在被动康复模式下,肩关节前屈驱动器的形状记忆合金弹簧受热收缩,通过绳索拉动绳鼓,带动装置实现前屈运动,同时拉伸后伸驱动器的形状记忆合金弹簧;肩关节后伸驱动器的形状记忆合金弹簧受热收缩,通过绳索拉动绳鼓,带动装置实现后伸运动,同时拉伸前屈驱动器的形状记忆合金弹簧;
步骤四:在被动康复模式下,肘关节伸展驱动器的形状记忆合金弹簧受热收缩,通过绳索拉动滑动轴承座直线运动,由肘关节转动架实现前臂杆绕肘关节轴的伸展运动,同时拉伸屈曲驱动器的形状记忆合金弹簧;肘关节屈曲驱动器的形状记忆合金弹簧受热收缩,通过绳索拉动滑动轴承座直线运动,由肘关节转动架实现前臂杆绕肘关节轴的屈曲运动,同时拉伸伸展驱动器的形状记忆合金弹簧;
步骤五:在被动康复模式下,加热腕关节运动模块的双程形状记忆合金弹簧,实现并联关节在空间内的外展/内收、背屈/掌屈运动;
步骤六:在主动康复模式下,患者手臂可以自由带动装置实现肩关节运动模块的外旋/内旋、前屈/后伸,肘关节伸展/屈曲,腕关节外展/内收、背屈/掌屈,运动的同时相应的驱动器弹簧会被拉伸,提供反向运动阻尼,在运动完成后,加热驱动器的形状记忆合金弹簧,完成一组组合运动。
与现有技术相比本发明具有以下优点:
1.本发明装置模拟人体上肢结构,提出了形状记忆合金—绳索驱动的上肢康复训练装置及训练方法,具有5个运动自由度,可以辅助患者实现上肢肩关节前屈/后伸、外旋/内旋,肘关节伸展/屈曲,腕关节外展/内收,背屈/掌屈,足够满足主要的康复训练动作,外骨骼式设计增加了人体穿戴的适应性,提高了训练效率。上臂/前臂调节机构的设计,可以使康复训练装置满足不同使用人群的身材尺寸,更好的贴合患者肢体,增加了装置的适应性。
2.本发明装置提供了主、被动康复训练模式,可以满足不同康复训练时期对复杂牵引力的需求,尤其是康复训练后期,对反向变阻尼(力)的要求。当加热形状记忆合金弹簧时,形状记忆合金驱动器产生位移,通过绳索和并联式的腕关节为上肢康复训练运动提供牵引力。治疗后期,患者上肢主动运动时,形状记忆合金驱动器可以作为反向阻尼器抵抗患者的运动趋势,达到刺激肌肉的主动康复目的。
3.本发明装置中驱动方式使用形状记忆合金与绳索相结合的方式,充分发挥了各自材料的特点:形状记忆合金是新兴功能软体材料,能够模拟人体肌肉的力输出特性实现双向可变阻抗运动,在康复训练时具有优良的柔顺安全性,能够较好的贴合患者肢体,提高人机结合度;绳索驱动具有结构简单、惯性小、质量轻等优点,将两种驱动方式组合可以实现远距离驱动,相较以往的关节电机驱动方式,减轻了机构重量、节省了机架空间体积,提高了康复训练运动安全性。
附图说明
图1为形状记忆合金—绳索驱动的上肢康复训练装置的结构示意图。
图2为本发明的形状记忆合金驱动器模块的结构示意图。
图3为本发明的形状记忆合金驱动器的结构示意图。
图4为本发明的肩关节运动模块的结构示意图。
图5为本发明的上臂杆的结构示意图。
图6为本发明的上臂调节机构的结构示意图。
图7为本发明的肘关节运动机构的结构示意图。
图8为本发明的前臂杆的结构示意图。
图9为本发明的前臂杆调节机构的结构示意图。
图10为本发明的腕关节运动模块的结构示意图。
图11为本发明的康复训练流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示,形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练装置,包括形状记忆合金驱动器模块100、肩关节运动模块200、两组上臂杆300、两组肘关节运动模块400、前臂杆500、腕关节运动模块600,其中:
如图4所示,肩关节运动模块200包括十字万向方块体204,十字万向方块体204其中两个相对侧面分别设有肩关节连接板202,两肩关节连接板202各自一端分别通过转轴转动连接于十字万向方块体204对应侧面,每个肩关节连接板202还分别紧贴固定连接有肩关节安装板201,其中一个肩关节连接板的转轴的轴端还同轴固定连接有绳鼓203,十字万向方块体204另外两个相对侧面分别设有上臂连接板205,两上臂连接板205 各自一端分别通过转轴转动连接于十字万向方块体204对应侧面,两个上臂连接板205板端延伸方向与肩关节安装板201板端延伸方向相反,即上臂连接板205板端向远离驱动器安装平板101的方向延伸,其中一个上臂连接板的转轴轴端还同轴固定连接有绳鼓,每个绳鼓上均有两段旋向相反的螺纹,两绳鼓分别随各自连接的转轴共同转动;
如图5所示,每组上臂杆300分别包括上臂调节机构310、上臂支撑杆320、上臂托架330,其中上臂支撑杆320轴向一端穿入并连接于上臂调节机构310,并由上臂调节机构310调节上臂支撑杆320的穿出长度,上臂托架330通过卡箍套装固定于上臂支撑杆320,所述肩关节运动模块200中,两上臂连接板205一一对应与两组上臂杆300的上臂调节机构310固定连接;
如图7所示,每组肘关节运动模块400分别包括一对肘关节支撑架411,以及滑动轴承座407、肘关节连接杆403、肘关节转动架401、肘关节连接架402,每组肘关节运动模块400中,两肘关节支撑架411之间固定连接有导杆409,滑动轴承座407中心装配有自润滑轴承408,且滑动轴承座407通过自润滑轴承408滑动安装于导杆409上,滑动轴承座407一侧侧面还连接有绳钩406,肘关节连接杆403一端固定连接滑动轴承座407,肘关节连接杆403另一端穿过其中一个肘关节支撑架,肘关节转动架401一端通过转轴转动连接于肘关节连接杆403另一端,肘关节转动架401另一端连接肘关节连接架402,每个肘关节支撑架411对应于肘关节转动架401另一端方向的侧面分别连接有夹持杆410,每个夹持杆410杆端分别连接有卡箍,其中供肘关节连接杆403穿过的肘关节支架中与夹持杆410所在侧面相邻的另一侧面安装有肘关节运动滑轮组404,且肘关节运动滑轮组404所在方向与绳钩406所在方向相反;两组上臂杆300中的上臂支撑杆320轴向另一端一一对应固定连接两组肘关节运动模块400中的肘关节连接架402,且肘关节运动模块400中夹持杆410连接的卡箍套装固定于对应的上臂支撑杆320;
如图8所示,前臂杆500包括一对相对设置的前臂支撑杆510,以及前臂调节机构530、前臂托架520,两前臂支撑杆510各自一端一一对应通过转轴转动连接于两组肘关节运动模块400中的肘关节连接架402,每个前臂支撑杆510各自另一端与前臂调节机构530之间分别固定连接有导杆532,两个前臂支撑杆510连接的导杆532轴向相互平行,以前臂支撑杆510彼此相对的一面为内侧面,每个前臂支撑杆510内侧面靠近前臂调节机构530位置分别固定连接有一对滚珠丝杆轴承座531,每个前臂支撑杆510上两滚珠丝杆轴承座531之间分别转动连接有滚珠丝杆534,滚珠丝杆534的轴向分别平行于导杆532,每个滚珠丝杆534一端分别穿入并连接前臂调节机构530,由前臂调节机构530驱动滚珠丝杆534转动,每个滚珠丝杆534上分别螺合安装有滚珠丝杆螺母座533,且滚珠丝杆螺母座533同时滑动装配在滚珠丝杆534对应前臂支撑杆510连接的导杆532上,前臂托架520固定于两前臂支撑杆510;
如图10所示,腕关节运动模块600包括一对同轴相对的分别呈环形的腕关节基座605,两腕关节基座605之间固定连接有多个双程形状记忆合金弹簧604,每个双程形状记忆合金弹簧604轴向分别平行于腕关节基座 605轴向,其中一个腕关节基座周向侧面通过腕关节支架606固定连接前臂杆500中的两个滚珠丝杆螺母座533,以该腕关节基座作为固定端,另一个腕关节基座作为自由端,自由端连接有一对手柄支架 603,两手柄支架603分别平行于腕关节基座 605轴向,两手柄支架603端部之间连接有握持手柄602;
如图2、图3所示,形状记忆合金驱动器模块100包括驱动器安装平板101,驱动器安装平板101一侧板面设有八个形状记忆合金驱动器,肩关节运动模块200中每个肩关节安装板201板端分别固定连接驱动器安装平板101另一侧板面,驱动器安装平板101的周向侧面设有多个分别与形状记忆合金驱动器一一对应配合的滑轮组,每个形状记忆合金驱动器分别由一对驱动器基座116、多个滑块导杆118、运动滑块119、单程形状记忆合金弹簧117构成,每个形状记忆合金驱动器中,两驱动器基座116固定于驱动器安装平板101并且彼此相对,多个滑块导杆118平行固定连接于两个驱动器基座116之间,运动滑块119滑动装配在多个滑块导杆118上,单程形状记忆合金弹簧117固定连接于其中一个驱动器基座和该驱动器基座对应方向的运动滑块119一端之间,且单程形状记忆合金弹簧117轴向平行于滑块导杆118,运动滑块119另一端连接有绳索700,绳索700穿过运动滑块119另一端对应方向的驱动器基座后再绕过该形状记忆合金驱动器对应的滑轮组;
八个形状记忆合金驱动器均分为四组,其中:
第一组中两个形状记忆合金驱动器的绳索分别延伸至肩关节运动模块200中一个绳鼓位置,第一组中一个形状记忆合金驱动器的绳索从一个方向缠绕固定于该绳鼓的一段螺纹上,第一组中另一个形状记忆合金驱动器的绳索从另一个方向缠绕固定于该绳鼓的另一段螺纹上;
第二组中两个形状记忆合金驱动器的绳索分别延伸至肩关节运动模块200中另一个绳鼓位置,第二组中一个形状记忆合金驱动器的绳索从一个方向缠绕固定于该绳鼓的一段螺纹上,第二组中另一个形状记忆合金驱动器的绳索从另一个方向缠绕固定于该绳鼓的另一段螺纹上;
第三组中两个形状记忆合金驱动器的绳索分别延伸至一组肘关节运动模块中滑动轴承座的绳钩位置,并在不同方向固定于该绳钩上;
第四组中两个形状记忆合金驱动器的绳索分别延伸至另一组肘关节运动模块中滑动轴承座的绳钩位置,并在不同方向固定于该绳钩上。
如图6所示,每组上臂杆300中的上臂调节机构310分别包括齿轮箱,齿轮箱内转动安装有一对圆锥齿轮313,其中一个圆锥齿轮的轮轴穿出齿轮箱并同轴固定连接有旋转手柄311,另一个圆锥齿轮的轮轴通过深沟球轴承314同轴连接至一个滚珠丝杆315的一端,滚珠丝杆315另一端转动连接于齿轮箱,滚珠丝杆315上螺合安装有螺母连接座316,每组上臂杆300中的上臂支撑杆320轴向一端穿入齿轮箱并固定连接于螺母连接座316,通过转动旋转手柄311使滚珠丝杆315转动,进而使螺母连接座316带动上臂支撑杆329运动,实现对上臂支撑杆320穿出长度的调节,所述肩关节运动模块200中两上臂连接板205一一对应紧贴固定于两组上臂杆300中齿轮箱外侧面。
如图9所示,前臂杆500中的前臂调节机构530包括齿轮箱535,齿轮箱535上通过旋转轴转动安装有旋转手柄,旋转轴一端穿入齿轮箱535并通过深沟球轴承537转动连接有主圆锥齿轮539,每个前臂支撑杆510上的滚珠丝杆534一端分别穿入齿轮箱535并固定连接有圆锥齿轮538,两滚珠丝杆534连接的圆锥齿轮538分别在不同方向与主圆锥齿轮539传动啮合。
如图11所示,形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练方法,包括以下步骤:
步骤一:手握住握持手柄并将人体前臂和上臂固定在前臂拖架和上臂托架上,分别旋转前臂、上臂调节机构的旋转手柄,使前臂杆、上臂杆长度符合患者身材尺寸,驱动器恢复至初始状态;
步骤二:在被动康复模式下,肩关节外旋驱动器的形状记忆合金弹簧受热收缩,通过绳索拉动绳鼓,带动装置实现外旋运动,同时拉伸内旋驱动器的形状记忆合金弹簧;肩关节内旋驱动器的形状记忆合金弹簧受热收缩,通过绳索拉动绳鼓,带动装置实现内旋运动,同时拉伸外旋驱动器的形状记忆合金弹簧;
步骤三:在被动康复模式下,肩关节前屈驱动器的形状记忆合金弹簧受热收缩,通过绳索拉动绳鼓,带动装置实现前屈运动,同时拉伸后伸驱动器的形状记忆合金弹簧;肩关节后伸驱动器的形状记忆合金弹簧受热收缩,通过绳索拉动绳鼓,带动装置实现后伸运动,同时拉伸前屈驱动器的形状记忆合金弹簧;
步骤四:在被动康复模式下,肘关节伸展驱动器的形状记忆合金弹簧受热收缩,通过绳索拉动滑动轴承座直线运动,由肘关节转动架实现前臂杆绕肘关节轴的伸展运动,同时拉伸屈曲驱动器的形状记忆合金弹簧;肘关节屈曲驱动器的形状记忆合金弹簧受热收缩,通过绳索拉动滑动轴承座直线运动,由肘关节转动架实现前臂杆绕肘关节轴的屈曲运动,同时拉伸伸展驱动器的形状记忆合金弹簧;
步骤五:在被动康复模式下,加热腕关节运动模块的双程形状记忆合金弹簧,实现并联关节在空间内的外展/内收、背屈/掌屈运动;
步骤六:在主动康复模式下,患者手臂可以自由带动装置实现肩关节运动模块的外旋/内旋、前屈/后伸,肘关节伸展/屈曲,腕关节外展/内收、背屈/掌屈,运动的同时相应的驱动器弹簧会被拉伸,提供反向运动阻尼,在运动完成后,加热驱动器的形状记忆合金弹簧,完成一组组合运动。
如图1所示,本发明形状记忆合金—绳索驱动的上肢康复训练装置,包括有形状记忆合金驱动器模块100,肩关节运动模块200,上臂杆300,肘关节运动模块400,前臂杆500,腕关节运动模块600,绳索700。其中:
形状记忆合金驱动器模块100由驱动器安装平板101构成结构基础,通过螺纹连接安装有形状记忆合金驱动器102、103、105、107、109、111、114、115,滑轮组104、106、108、110、112、113、120、121。肩关节运动模块200通过肩关节安装板201与驱动器安装平板101连接,每只绳鼓203上有两段螺纹槽,分别为左旋螺纹槽和右旋螺纹槽。上臂调节机构310的齿轮箱与上臂连接板205通过螺纹连接,上臂托架330由卡箍固定在上臂支撑杆320中,为患者的上臂提供支撑,上臂支撑杆320与上臂调节机构310中的螺母连接座316连接。肘关节运动机构的夹持杆410通过环形卡箍与上臂杆300的上臂支撑杆320连接,夹持杆410、肘关节运动导杆409、肘关节运动滑轮组404与肘关节滑动轴承座407安装在两块肘关节支撑架411上,肘关节连接杆连接肘关节转动架401和肘关节滑动轴承座407,通过紧定螺钉和螺纹分别固定,肘关节连接架402与上臂支撑杆320通过螺纹固定。前臂杆500上安装有前臂托架520,用以固定患者的前臂,前臂支撑杆510前段通过导杆532与前臂调节机构530连接,滚珠丝杆轴承座531与前臂支撑杆510前段通过螺纹连接。腕关节运动模块600通过螺纹连接在滚珠丝杆轴承座531上,握持手柄602用蝶形螺母601紧固在手柄支架603上,通过螺纹连接在腕关节基座605上。形状记忆合金驱动器的输出端分别连接有绳索700,绳索分别与绳鼓203、绳钩406连接,用以驱动肩关节、肘关节运动。
如图2所示,形状记忆合金驱动器模块100的驱动器安装平板101上安装有6组形状合金驱动器,分别为肘关节屈伸驱动器105、111,肘关节伸展驱动器107、109,肩关节前屈驱动器102,肩关节后伸驱动器103,肩关节外旋驱动器113,肩关节内旋驱动器114,在相应的驱动器输出端分别安装有滑轮组为绳索700提供支撑。
如图3所示,形状记忆合金驱动器包括驱动器基座116,单程形状记忆合金弹簧117,滑块导杆118,运动滑块119。单程形状记忆合金弹簧117一段固定在驱动器基座116,另一端固定在运动滑块119上。驱动器基座116四角上有圆柱通孔,运动滑块119四角上有圆柱通孔,四根滑块导杆118插入通孔中连接两块驱动器基座116与运动滑块119,运动滑块119可在滑块导杆118上自由运动。运动滑块119中心连接绳索700,绳索穿过驱动器基座116中心通孔与相应关节连接。
如图4所示,肩关节运动模块200的十字万向方块体204有两个旋转轴与绳鼓203通过平键连接,绳鼓203上的螺纹槽旋向相反,绳索700分别缠绕在两段绳槽中。
如图5、6所示,上臂杆300包括上臂调节机构310,上臂支撑杆320,上臂托架330,上臂托架330内侧安装有跑道状海绵条。上臂调节机构310由旋转手柄311,旋转轴312,圆锥齿轮313、深沟球轴承314,滚珠丝杆315,螺母连接座316组成,其中,螺母连接座与上臂支撑杆320连接,当拧动旋转手柄311时,旋转轴312带动一对圆锥齿轮313啮合转动,将旋转运动传递到滚珠丝杆315,滚珠丝杆副将旋转运动转化与螺母连接座316沿滚珠丝杆315的轴向运动,改变上臂支撑杆320的实际伸出长度,满足不同患者的身材尺寸需求。
如图7所示,肘关节运动机构由肘关节转动架401,肘关节连接架402,肘关节连接杆403,滑轮组404,紧定螺钉405,绳钩406,滑动轴承座407,自润滑轴承408,导杆409,夹持杆410,肘关节支撑架411组成。肘关节转动架401通过三根圆柱销与前臂支撑杆510连接,肘关节连接杆403将肘关节转动架401与滑动轴承座407连接,滑动轴承座407上下表面安装有绳钩406,通过滑轮组404和肘关节支撑架411上的缝隙与绳索700连接,滑动轴承座407中心通孔安装有自润滑轴承408,套在导杆409表面,使滑动轴承座407可以沿导杆409轴向滑动。当绳索700通过绳钩406带动滑动轴承座407运动时,肘关节连接杆403会使肘关节转动架401转动,从而带动前臂支撑杆510转动。
如图8、9所示,前臂杆500包括前臂支撑杆510,前臂托架520,前臂调节机构530,前臂托架520内侧安装有跑道状海绵条。前臂调节机构530由滚珠丝杆轴承座531,导杆532,滚珠丝杆螺母座533,滚珠丝杆534,齿轮箱535,旋转手柄536,深沟球轴承537,圆锥齿轮538组成,其中,滚珠丝杆螺母在533与腕关节运动模块600相连,可在导杆532和滚珠丝杆534上滑动。当拧动旋转手柄536时,对称布置的两对圆锥齿轮副分别带动旋向相反的两根滚珠丝杆转动,滚珠丝杆螺母座533带动腕关节运动模块600伸缩一动,改变前臂支撑杆510的实际长度,满足不同患者的身材尺寸需求。
如图9所示,腕关节运动模块600具有握持手柄602供患者手部固定,手柄通过手柄支架603与腕关节基座605相连,两基座间呈120°均匀布置有多根双程形状记忆合金弹簧604,构成并联式的可穿戴腕关节结构,一个腕关节基座605通过腕关节支架606与两组滚珠丝杆螺母座533连接,构成固定端,双程形状记忆合金弹簧604固定在两个腕关节基座605之间,并以另一个腕关节基座作为浮动自由端,每根双程形状记忆合金弹簧604在加热/冷却时可以完成收缩/伸长动作,三根弹簧的组合运动可以完成腕关节的外展/内收、掌屈/背屈运动。
结合图11,详细说明本发明的康复训练流程。
进一步说明肩关节前屈运动:加热形状记忆合金弹簧驱动器102,形状记忆合金弹簧117收缩,运动滑块119带动绳索700运动,拉动第一个绳鼓的一段绳槽,通过十字万向方块体204完成肩关节前屈运动,同时第一个绳鼓的另一端绳槽引起绳索700运动,引起形状记忆合金驱动器103拉伸。
进一步说明肩关节后伸运动:上一步中肩关节前屈运动引起了形状记忆合金驱动器103拉伸,加热形状记忆合金驱动器103,形状记忆合金驱动器103的形状记忆合金弹簧117收缩,运动滑块119带动绳索700运动,拉动第一个绳鼓的一段绳槽,通过十字万向方块体204完成肩关节后伸运动,同时第一个绳鼓的另一端绳槽引起绳索700运动,引起形状记忆合金驱动器102的拉伸。至此完成肩关节的前屈、后伸组合运动。
进一步说明肩关节的外旋运动:加热形状合金弹簧驱动器115,驱动器115的形状记忆合金弹簧117收缩,运动滑块119带动绳索700运动,拉动第二个绳鼓的一段绳槽,通过十字万向方块体204完成肩关节的外旋运动,同时第二个绳鼓的另一端绳槽引起绳索700运动,引起形状记忆合金驱动器114拉伸。
进一步说明肩关节的内旋运动:上一步中肩关节外旋运动引起了形状记忆合金驱动器114 的拉伸,加热形状记忆合金驱动器,驱动器114的形状记忆合金弹簧117收缩,运动滑块119带动绳索700运动,拉动第二个绳鼓203的一段绳槽,通过十字万向方块体204完成肩关节内旋运动,同时第二个绳鼓203的另一端绳槽引起绳索700运动,引起形状记忆合金驱动器115的拉伸。至此完成肩关节的外旋、内旋组合运动。
进一步说明肘关节的伸展运动:加热形状合金弹簧驱动器107、109,驱动器107、109的形状记忆合金弹簧117收缩,运动滑块119带动绳索700运动,拉动绳钩406,将滑动轴承座407的直线运动转化为肘关节转动架401的旋转运动,使前臂支撑杆510转动完成肘关节的伸展运动。同时滑动轴承座407的上表面绳钩406引起绳索700运动,引起形状记忆合金驱动器105、111拉伸。
进一步说明肘关节的屈曲运动:上一步中肘关节伸展运动引起了形状记忆合金驱动器105、111的拉伸,加热形状记忆合金驱动器,驱动器105、111的形状记忆合金弹簧117收缩,运动滑块119带动绳索700运动,拉动绳钩406,将滑动轴承座407的直线运动转化为肘关节转动架401的旋转运动,使前臂支撑杆510转动完成肘关节的屈曲运动。同时滑动轴承座407的上表面绳钩406引起绳索700运动,引起形状记忆合金驱动器107、109拉伸。至此完成肘关节的伸展、屈曲运动。
进一步说明本发明装置的主动康复训练模式:上述步骤说明了各关节在被动康复训练模式下的运动机理,本发明从硬件设计上提供了患者主动康复训练功能。以肘关节患者主动屈曲运动为例,当前臂支撑杆510与上臂支撑杆320处于共线,即患者手臂处于伸直状态时,患者前臂主动做屈曲运动、肘关节转动架401转动时,滑动轴承座407做直线运动,绳钩406引起绳索700收缩,从而拉伸形状记忆合金驱动器107、109,此时形状记忆合金弹簧117作为阻尼器,为肘关节运动提供反向阻尼,加大了对上肢训练的刺激。同理,可完成其他关节的主动康复训练。

Claims (3)

1.形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练装置,其特征在于:包括形状记忆合金驱动器模块、肩关节运动模块、两组上臂杆、两组肘关节运动模块、前臂杆、腕关节运动模块,其中:
肩关节运动模块包括十字万向方块体,十字万向方块体其中两个相对侧面分别设有肩关节连接板,两肩关节连接板各自一端分别通过转轴转动连接于十字万向方块体对应侧面,每个肩关节连接板还分别紧贴固定连接有肩关节安装板,其中一个肩关节连接板的转轴的轴端还同轴固定连接有绳鼓,十字万向方块体另外两个相对侧面分别设有上臂连接板,两上臂连接板各自一端分别通过转轴转动连接于十字万向方块体对应侧面,两个上臂连接板板端延伸方向与肩关节安装板板端延伸方向相反,即上臂连接板板端向远离驱动器安装平板的方向延伸,其中一个上臂连接板的转轴轴端还同轴固定连接有绳鼓,每个绳鼓上均有两段旋向相反的螺纹,两绳鼓分别随各自连接的转轴共同转动;
每组上臂杆分别包括上臂调节机构、上臂支撑杆、上臂托架,其中上臂支撑杆轴向一端穿入并连接于上臂调节机构,并由上臂调节机构调节上臂支撑杆的穿出长度,上臂托架通过卡箍套装固定于上臂支撑杆,所述肩关节运动模块中,两上臂连接板一一对应与两组上臂支撑杆的上臂调节机构固定连接;
每组肘关节运动模块分别包括一对肘关节支撑架,以及滑动轴承座、肘关节连接杆、肘关节转动架、肘关节连接架,每组肘关节运动模块中,两肘关节支撑架之间固定连接有导杆,滑动轴承座中心装配有自润滑轴承,且滑动轴承座通过自润滑轴承滑动安装于导杆上,滑动轴承座一侧侧面还连接有绳钩,肘关节连接杆一端固定连接滑动轴承座,肘关节连接杆另一端穿过其中一个肘关节支撑架,肘关节转动架一端通过转轴转动连接于肘关节连接杆另一端,肘关节转动架另一端连接肘关节连接架,每个肘关节支撑架对应于肘关节转动架另一端方向的侧面分别连接有夹持杆,每个夹持杆杆端分别连接有卡箍,其中供肘关节连接杆穿过的肘关节支架中与夹持杆所在侧面相邻的另一侧面安装有肘关节运动滑轮组,且肘关节运动滑轮组所在方向与绳钩所在方向相反;两组上臂支撑杆轴向另一端一一对应固定连接两组肘关节运动模块中的肘关节连接架,且肘关节运动模块中夹持杆连接的卡箍套装固定于对应的上臂支撑杆;
前臂杆包括一对相对设置的前臂支撑杆,以及前臂调节机构、前臂托架,两前臂支撑杆各自一端一一对应通过转轴转动连接于两组肘关节运动模块中的肘关节连接架,每个前臂支撑杆各自另一端与前臂调节机构之间分别固定连接有导杆,两个前臂支撑杆连接的导杆轴向相互平行,以前臂支撑杆彼此相对的一面为内侧面,每个前臂支撑杆内侧面靠近前臂调节机构位置分别固定连接有一对滚珠丝杆轴承座,每个前臂支撑杆上两滚珠丝杆轴承座之间分别转动连接有滚珠丝杆,滚珠丝杆的轴向分别平行于导杆,每个滚珠丝杆一端分别穿入并连接前臂调节机构,由前臂调节机构驱动滚珠丝杆转动,每个滚珠丝杆上分别螺合安装有滚珠丝杆螺母座,且滚珠丝杆螺母座同时滑动装配在滚珠丝杆对应前臂支撑杆连接的导杆上,前臂托架固定于两前臂支撑杆;
腕关节运动模块包括一对同轴相对的分别呈环形的腕关节基座,两腕关节基座之间固定连接有多个双程形状记忆合金弹簧,每个双程形状记忆合金弹簧(604)轴向分别平行于腕关节基座轴向,其中一个腕关节基座周向侧面通过腕关节支架固定连接前臂杆中的两个滚珠丝杆螺母座,以该腕关节基座作为固定端,另一个腕关节基座作为自由端,自由端连接有一对手柄支架,两手柄支架分别平行于腕关节基座轴向,两手柄支架端部之间连接有握持手柄;
形状记忆合金驱动器模块包括驱动器安装平板,驱动器安装平板一侧板面设有八个形状记忆合金驱动器,肩关节运动模块中每个肩关节安装板板端分别固定连接驱动器安装平板另一侧板面,驱动器安装平板的周向侧面设有多个分别与形状记忆合金驱动器一一对应配合的滑轮组,每个形状记忆合金驱动器分别由一对驱动器基座、多个滑块导杆、运动滑块、单程形状记忆合金弹簧构成,每个形状记忆合金驱动器中,两驱动器基座固定于驱动器安装平板并且彼此相对,多个滑块导杆平行固定连接于两个驱动器基座之间,运动滑块滑动装配在多个滑块导杆上,单程形状记忆合金弹簧固定连接于其中一个驱动器基座和该驱动器基座对应方向的运动滑块一端之间,且单程形状记忆合金弹簧轴向平行于滑块导杆,运动滑块另一端连接有绳索,绳索穿过运动滑块另一端对应方向的驱动器基座后再绕过该形状记忆合金驱动器对应的滑轮组;
八个形状记忆合金驱动器均分为四组,其中:
第一组中两个形状记忆合金驱动器的绳索分别延伸至肩关节运动模块中一个绳鼓位置,第一组中一个形状记忆合金驱动器的绳索从一个方向缠绕固定于该绳鼓的一段螺纹上,第一组中另一个形状记忆合金驱动器的绳索从另一个方向缠绕固定于该绳鼓的另一段螺纹上;
第二组中两个形状记忆合金驱动器的绳索分别延伸至肩关节运动模块中另一个绳鼓位置,第二组中一个形状记忆合金驱动器的绳索从一个方向缠绕固定于该绳鼓的一段螺纹上,第二组中另一个形状记忆合金驱动器的绳索从另一个方向缠绕固定于该绳鼓的另一段螺纹上;
第三组中两个形状记忆合金驱动器的绳索分别延伸至一组肘关节运动模块中滑动轴承座的绳钩位置,并在不同方向固定于该绳钩上;
第四组中两个形状记忆合金驱动器的绳索分别延伸至另一组肘关节运动模块中滑动轴承座的绳钩位置,并在不同方向固定于该绳钩上。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练装置,其特征在于:每组上臂杆中的上臂调节机构分别包括齿轮箱,齿轮箱内转动安装有一对圆锥齿轮,其中一个圆锥齿轮的轮轴穿出齿轮箱并同轴固定连接有旋转手柄,另一个圆锥齿轮的轮轴通过深沟球轴承同轴连接至一个滚珠丝杆的一端,滚珠丝杆另一端转动连接于齿轮箱,滚珠丝杆上螺合安装有螺母连接座,每组上臂支撑杆轴向一端穿入齿轮箱并固定连接于螺母连接座,通过转动旋转手柄使滚珠丝杆转动,进而使螺母连接座带动上臂支撑杆运动,实现对上臂支撑杆穿出长度的调节,所述肩关节运动模块中两上臂连接板一一对应紧贴固定于两组上臂杆中齿轮箱外侧面。
3.根据权利要求1所述的形状记忆合金绳索驱动的上肢康复训练装置,其特征在于:前臂杆中的前臂调节机构包括齿轮箱,齿轮箱上通过旋转轴转动安装有旋转手柄,旋转轴一端穿入齿轮箱并通过深沟球轴承转动连接有主圆锥齿轮,每个前臂支撑杆上的滚珠丝杆一端分别穿入齿轮箱并固定连接有圆锥齿轮,两滚珠丝杆连接的圆锥齿轮分别在不同方向与主圆锥齿轮传动啮合。
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