CN110215374A - 一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，包括气泵、踏板机构、控制器和多个气动人工肌肉，其中：多个气动人工肌肉独立地通过气管连接气泵，各气管上均设有比例控制阀；踏板机构可拆卸地安装于轮椅上，包括底座和活动连接于底座上的脚踏板，多个气动人工肌肉独立地通过套管钢绳经由底座与脚踏板连接，用于带动脚踏板进行三种运动形式的动作；控制器与气泵及各比例控制阀通讯连接。与现有技术相比，本发明在轮椅上通过气动人工肌肉驱动实现踝关节三种运动形式的康复训练动作，其柔韧性好，动作更加平滑，缓冲性好，且结构简单、轻便，耐潮湿，环境适应好，治疗动作更贴合生物特性，能更好的促进康复疗效，减少二次伤害等。

Description

一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置

技术领域

本发明涉及一种训练器械，尤其是涉及一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置。

背景技术

现今，随着社会老龄化，以及环境污染造成的各种各样先天残疾，或者随着交通事故的不断攀升，后天遭遇事故所造成的肢体残疾等，已尤为严重。据第二次全国残疾人抽样调查数据推算，我国残疾人口总数为8296万人，如果按三口之家算，平均下来我国每5个家庭中就会有一个家庭中有残疾人，其中，肢体残疾2412万人，约占残疾人的30％。对此数量庞大的残疾人进行治疗和康复训练，助其恢复为正常人，已成为刻不容缓的社会问题。

人体踝关节是下肢运动的重要关节，踝关节损伤是临床上最常见的外科损伤之一，其中又以扭伤最常见，扭伤占据了踝关节损伤的85％左右，场地不平、身体失衡、运动时等均易造成扭伤，严重者可致踝关节骨折。

踝关节康复训练是恢复踝关节灵活性及康复的重要治疗手段，在治疗师劳动强度大、治疗一对一效率低下的情况下，相关的康复训练设备的重要性不言而喻。常见训练设备有CPM机以及弹力带等，但训练动作较单一，不能完全实现踝关节的固有运动：背伸和跖屈、内翻和外翻、内收和外展运动；特别是其运动多为单一的被动运动，或者抗阻运动。较为复杂的康复机器人需要去到特定场地治疗，并且还需要配有理疗师等要求，费时费力，而且费用高。然而，美国运动医学学会推荐健康人每天最低行走步数为5400-7900步，因为这样才能加速人体血液循环，有效促进关节软骨滑液的分泌，提高关节灵活性，保持关节健康，预防和延缓退化性关节炎。上述步行量即使按照健康成年人中等速度(100步/分钟)计算，至少也要行走60分钟左右。遗憾的是现有医院等康复机构的CPM训练时间仅15-30分钟，故运动量还远不够。虽然市场已研制了诸多踝关节康复训练装置，但多采用电机等刚性执行元件驱动，训练动作僵硬，执行元件笨重，结构复杂，占用空间大；而且，电气元件不能防水，不能随时随地使用，不适合放置在轮椅上使用等，从而制约了设备的使用场合，诸多缺点降低了康复疗效，限制了其使用环境。因此，想要实现患者完善、有效的踝关节康复训练治疗、居家自主康复，仍有很长的路要走。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而为轮椅乘坐者提供一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，包括：

气泵，

多个气动人工肌肉，独立地通过气管连接气泵，各气管上均设有比例控制阀，

踏板机构，可拆卸地安装于轮椅上，包括底座和活动连接于底座上的脚踏板，多个气动人工肌肉独立地通过套管钢绳经由底座与脚踏板连接，用于带动脚踏板动作，进而带动固定在脚踏板之上的足部进行背伸和跖屈、内翻和外翻以及内收和外展三种运动形式的动作，

控制器，与气泵及各比例控制阀通讯连接。控制器通过电信号控制比例控制阀的输出以控制气泵对气动人工肌肉的充放气。

作为本发明优选的技术方案，所述的气泵、气管、比例控制阀及气动人工肌肉均位于控制箱中，所述的控制箱可拆卸地安装于轮椅的靠背后面。

作为本发明优选的技术方案，多个气动人工肌肉并排布置，每个气动人工肌肉两端分别为固定端和活动端，所述的固定端固定于控制箱内，并且该端设有气孔，所述的气孔通过气管连接气泵，活动端通过套管钢绳与脚踏板连接。

作为本发明优选的技术方案，所述的底座具有与多个支脚，每个支脚的末端设有套管钢绳连接座及过线孔，所述的套管钢绳由套管和穿设于套管中的钢绳组成，钢绳的一端与气动人工肌肉连接，另一端穿过过线孔与脚踏板底部连接，套管固定于控制箱和底座之间，且所有套管钢绳的套管穿设于安装在轮椅上的线管中。优选线管具有一定的柔性并可弯曲。

作为本发明优选的技术方案，踏板机构通过腿架可拆卸地安装于轮椅上，腿架的一端与轮椅可拆卸连接，另一端与底座连接。

作为本发明优选的技术方案，所述的脚踏板的上表面设有用于固定使用者足部的足部固定带及足部限位挡板，用于实现足部与脚踏板的同步运动，脚踏板的底部设有多个用于与套管钢绳连接的连接座，多个连接座不在同一条直线上。

作为本发明优选的技术方案，所述的脚踏板中设有用于实时检测脚踏板角度的三维角度传感器，所述的三维角度传感器与控制器通讯连接。

作为本发明优选的技术方案，所述的气动人工肌肉设有三个，所述的脚踏板的中间处与底座活动连接，三个气动人工肌肉与脚踏板的连接处分别位于脚踏板的前部两侧及后部中线处，呈均匀分布。

作为本发明优选的技术方案，所述的控制器包括通讯连接的控制器本体及控制开关，所述的控制器本体设置于控制箱中，所述的控制开关与控制器本体通讯连接，所述的控制开关的正面设有显示屏以及多组启动按钮、调整按键和指示灯，所述的显示屏用于显示包括脚踏板当前的运动角度值和训练时间在内的信息，所述的启动按钮用于控制脚踏板的运动及停止，所述的调整按键用于调整屈伸角度的范围，指示灯用于指示触发的调整按键的组别，控制开关的一侧设有用于控制脚踏板急停的急停开关，另一侧设有用于调节脚踏板运动速度的调速开关，顶端设有用于控制脚踏板输出力量大小的力量调节旋钮。

作为本发明优选的技术方案，所述的控制开关通过导线与控制器本体通讯连接，或所述的控制开关与控制器本体通过无线连接。

无线连接通过蓝牙发送接收装置实现，蓝牙发送接收装置分别与控制箱内的控制器本体及控制开关相连接，实现控制开关和控制器本体的数据发送与接收。

与传统的执行元件相比，气动人工肌肉具有很多的优点，比如它具有柔韧性，更符合生物肌肉的运动特性，使得其所应用的装置的动作更加平滑柔和，不再僵硬笨拙，运动平稳，缓冲好；结构简单、轻便，能够应用于移动便携的装置；输出力大，能适应工作要求范围大的装置上；适应工作环境的能力好，耐潮湿等，减少工作环境的限制，能够使其的使用范围更广。总之，气动人工肌肉应用于康复治疗器械能更贴合生物特性，更好模拟治疗师手法，更能促进康复治疗效果，减少不恰当的运动训练方式带来的二次伤害等。

本发明通过将脚踏板安装在底座上，底座固定在腿架上，腿架可拆卸连接在(电动)轮椅上，套管钢绳通过线管连接着气动人工肌肉与脚踏板，通过控制器控制气泵对气动人工肌肉进行充放气，从而驱动脚踏板进行背伸和跖屈、内翻和外翻、内收和外展运动的运动；进而带动固定在脚踏板之上的足部进行主被动运动，最终在轮椅上本发明实现踝关节的3自由度的运动训练。

与现有技术相比，本发明采用气动人工肌肉驱动，结构简单轻便，缓冲性好，且耐潮湿，环境适应性好，模仿了生物肌肉特性的气动人工肌肉驱动使得本发明更具柔韧性，运动更平滑，治疗动作更贴合生物特性，能更好的促进康复疗效，减少二次伤害，有效克服现有设备训练治疗过于僵硬的局限性。与轮椅的可拆卸连接，摆脱了固定场所、医院环境的限制，可随时随地更方便自由地进行康复训练，有效改善踝关节的活动和灵活度，保证康复治疗的训练时间和训练强度，更具便利性和普及性，降低了康复治疗的附带成本，更具经济性。

附图说明

图1为本发明安装于轮椅时一个视角的示意图；

图2为本发明安装于轮椅时另一视角的示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明的踏板机构的结构示意图；

图5为本发明的脚踏板和底座的连接示意图；

图6为本发明的底座的结构示意图；

图7为本发明的控制开关的示意图。

图中，1为底座，11为底座本体，12为套管钢绳连接座，13为过线孔，14为支撑杆，15为球形连接器，2为套管钢绳，21为套管，22为钢绳，23为线管，3为脚踏板，31为足部固定带，32为足部限位挡板，33为基板，4为腿架，41为可拆卸机构A，42为可拆卸机构B，5为控制开关，51为调整按键，52为指示灯，53为调速开关，54为显示屏，55为力量调节旋钮，56为急停开关，57为启动按钮，58为导线，6为气管，61为比例控制阀，7为气动人工肌肉，8为气泵，9为控制箱，91为控制箱固定脚，10为轮椅，101为靠背。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，如图1～7所示，包括控制器、气泵8、踏板机构及多个气动人工肌肉7，其中：多个气动人工肌肉7独立地通过气管6连接气泵8，各气管6上均设有比例控制阀61；踏板机构可拆卸地安装于轮椅10上，包括底座1和活动连接于底座1上的脚踏板3，多个气动人工肌肉7独立地通过套管钢绳2经由底座1与脚踏板3连接，用于带动脚踏板3动作，进而带动固定在脚踏板之上的足部进行背伸和跖屈、内翻和外翻以及内收和外展三种运动形式的动作；控制器与气泵8及各比例控制阀61通讯连接。

本实施例中，气泵8、气管6、比例控制阀61及气动人工肌肉7均位于控制箱9中，控制箱9可拆卸地安装于轮椅10的靠背101后面。本实施例中，控制箱9通过控制箱固定脚91固定在轮椅的靠背后面，控制箱9有密封盖，可防雨防潮，以适合室外的潮湿环境。建议轮椅10采用电动轮椅，这样就方便使用电动轮椅的电池同时作为控制器的供电电源，从而无需再外接电源。

本实施例中的控制器包括通讯连接的控制器本体及控制开关5，控制器本体(可以是控制电板，例如PLC)设置于控制箱9中，控制开关5与控制器本体通讯连接，如图3和7所示，控制开关5的正面设有显示屏54以及多组启动按钮57、调整按键51和指示灯52，显示屏54用于显示脚踏板3当前的运动角度值、训练时间等，启动按钮57用于控制脚踏板3的运动及停止，调整按键51(每组调整按键51均有上下两个调节按钮)用于调整屈伸角度的范围，指示灯52用于指示触发的调整按键51的组别，控制开关5的一侧设有用于控制脚踏板3急停的急停开关56，另一侧设有用于调节脚踏板3运动速度的调速开关53，顶端设有用于控制脚踏板3输出力量大小的力量调节旋钮55。本实施例中控制开关5通过导线58与控制器本体通讯连接，如图3和图7所示。实际中还可以根据需要，将控制开关5与控制器本体通过无线连接，无线连接通过蓝牙发送接收装置实现，蓝牙发送接收装置分别与控制箱内的控制器本体及控制开关相连接，实现控制开关和控制器本体的数据发送与接收。使用时，调整好屈伸角度后，即可按下启动按钮57，启动电路，控制脚踏板3屈伸摆动，进行足部的运动训练，训练结束再次按压启动按钮57即可停止训练，或按下急停开关56停止训练。从前到后，每组调整按键51、启动按钮57分别对应脚踏板3的前后摆动、左右摆动和平旋运动，从而分别实现踝足的背伸和跖屈、内翻和外翻、内收和外展运动。当然，如果仅对气动人工肌肉7冲上一定压力的气，也可进行人体踝足的抗阻训练。

本实施例中还包括必要的相关辅助元器件，如电源变送器、电源插座、气动人工肌肉固定座等，图中未示出。

本实施例中，控制比例阀位于气管中段，气管连接气泵8与气动人工肌肉7，控制电板通过电信号独立地控制比例控制阀61的输出以控制气泵8对气动人工肌肉7的充放气。气动人工肌肉一般至少应具有三个，本实施例中，气动人工肌肉7设有三个，如图1和图3所示，脚踏板3的中间处与底座1活动连接，三个气动人工肌肉7与脚踏板3的连接处分别位于脚踏板3的前部两侧及后部中线处。具体地，三个气动人工肌肉7并排布置，每个气动人工肌肉7两端分别为固定端和活动端，固定端固定于控制箱9内，并且该端设有气孔，气孔通过气管6连接气泵8，活动端通过套管钢绳2与脚踏板3连接。

本实施例中，如图6所示，踏板机构通过腿架4可拆卸地安装于轮椅10上，腿架4的一端通过可拆卸机构B42(可以采用卡接的方式)与轮椅10的主框架可拆卸连接，另一端通过可拆卸机构A41(可以是固定脚)与底座1(的支撑杆14)连接。与气动人工肌肉7相匹配地，本实施例中，如图6所示，底座1由底座本体11、绕周向分布于底座本体11周围的三个支脚、设置于底座本体11上的支撑杆14以及设置于支撑杆14顶端的球形连接器15组成，每个支脚的末端设有套管钢绳连接座12及过线孔13，套管钢绳2由套管21和穿设于套管21中的钢绳22组成，钢绳22的一端与气动人工肌肉7连接，另一端穿过过线孔13与脚踏板3底部连接，套管21固定于控制箱9和底座1之间，且所有(共三个)套管钢绳2的套管21穿设于安装在轮椅10上的线管23中。线管23可为具有一定的柔性可弯曲软管，线管23也可为较粗的波纹管。线管23将所有套管钢绳2束拢在一起，避免杂乱无章，方便固定。本实施例中，如图5所示，脚踏板3的底部设有基板33，脚踏板3的上表面设有用于固定使用者足部的足部固定带31及足部限位挡板32，防止足部滑脱，用于实现足部与脚踏板3的同步运动，防止足窜动或移位，固定带31一端固定，另一端与带扣配合可调整长短以适应不同的足部大小，足部限位挡板32用以抵在足跟部。脚踏板3的底部设有三个用于与套管钢绳2连接的连接座，三个连接座不在同一条直线上，分别位于脚踏板3的前部两侧及后部中线处，呈均布分布。进一步地，本实施例中脚踏板3中设有用于实时检测脚踏板3角度的三维角度传感器(也可以是加速度传感器)，三维角度传感器与控制器通讯连接。

本实施例通过控制器控制气泵8对气动人工肌肉7进行充放气，从而可驱动脚踏板3绕三个互相垂直的轴进行三维转动运动，从而带动固定在脚踏板之上的足部进行背伸和跖屈、内翻和外翻、内收和外展运动的被动或助动运动，最终在轮椅上实现患者踝关节的三种运动形式的康复训练动作，达到康复的目的。本实施例的踝关节康复训练装置采用气动人工肌肉驱动，结构简单轻便，缓冲性好，且耐潮湿，环境适应性好，模仿了生物肌肉特性的气动人工肌肉驱动使得本发明更具柔韧性，运动更平滑，治疗动作更贴合生物特性，能更好的促进康复疗效，减少二次伤害；且本发明方便移动和拆卸，摆脱了固定场所、医院环境的限制，不受医院上班时间、场地的限制，可随时随地、方便自由地进行康复训练，保证训练时间，从而让踝关节的康复训练治疗更普及、更便利。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，其特征在于，包括：

气泵(8)，

多个气动人工肌肉(7)，独立地通过气管(6)连接气泵(8)，各气管(6)上均设有比例控制阀(61)，

踏板机构，可拆卸地安装于轮椅(10)上，包括底座(1)和活动连接于底座(1)上的脚踏板(3)，多个气动人工肌肉(7)独立地通过套管钢绳(2)经由底座(1)与脚踏板(3)连接，用于带动脚踏板(3)动作，进而带动固定在脚踏板(3)之上的足部进行背伸和跖屈、内翻和外翻以及内收和外展三种运动形式的动作，

控制器，与气泵(8)及各比例控制阀(61)通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，其特征在于，所述的气泵(8)、气管(6)、比例控制阀(61)及气动人工肌肉(7)均位于控制箱(9)中，所述的控制箱(9)可拆卸地安装于轮椅(10)的靠背(101)后面。

3.根据权利要求2所述的一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，其特征在于，多个气动人工肌肉(7)并排布置，每个气动人工肌肉(7)两端分别为固定端和活动端，所述的固定端固定于控制箱(9)内，并且该端设有气孔，所述的气孔通过气管(6)连接气泵(8)，活动端通过套管钢绳(2)与脚踏板(3)连接。

4.根据权利要求2所述的一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，其特征在于，所述的底座(1)具有多个支脚，每个支脚的末端设有套管钢绳连接座(12)及过线孔(13)，所述的套管钢绳(2)由套管(21)和穿设于套管(21)中的钢绳(22)组成，钢绳(22)的一端与气动人工肌肉(7)连接，另一端穿过过线孔(13)与脚踏板(3)底部连接，套管(21)固定于控制箱(9)和底座(1)之间，且所有套管钢绳(2)的套管(21)穿设于安装在轮椅(10)上的线管(23)中。

5.根据权利要求1或4所述的一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，其特征在于，踏板机构通过腿架(4)可拆卸地安装于轮椅(10)上，腿架(4)的一端与轮椅(10)可拆卸连接，另一端与底座(1)连接。

6.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，其特征在于，所述的脚踏板(3)的上表面设有用于固定使用者足部的足部固定带(31)及足部限位挡板(32)，用于实现足部与脚踏板(3)的同步运动，脚踏板(3)的底部设有多个用于与套管钢绳(2)连接的连接座，多个连接座不在同一条直线上。

7.根据权利要求1或6所述的一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，其特征在于，所述的脚踏板(3)中设有用于实时检测脚踏板(3)角度的三维角度传感器，所述的三维角度传感器与控制器通讯连接。

8.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，其特征在于，所述的气动人工肌肉(7)设有三个，所述的脚踏板(3)的中间处与底座(1)活动连接，三个气动人工肌肉(7)与脚踏板(3)的连接处分别位于脚踏板(3)的前部两侧及后部中线处，呈均匀分布。

9.根据权利要求2所述的一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，其特征在于，所述的控制器包括通讯连接的控制器本体及控制开关(5)，所述的控制器本体设置于控制箱(9)中，所述的控制开关(5)与控制器本体通讯连接，所述的控制开关(5)的正面设有显示屏(54)以及多组启动按钮(57)、调整按键(51)和指示灯(52)，所述的显示屏(54)用于显示包括脚踏板(3)当前的运动角度值和训练时间在内的信息，所述的启动按钮(57)用于控制脚踏板(3)的运动及停止，所述的调整按键(51)用于调整屈伸角度的范围，指示灯(52)用于指示触发的调整按键(51)的组别，控制开关(5)的一侧设有用于控制脚踏板(3)急停的急停开关(56)，另一侧设有用于调节脚踏板(3)运动速度的调速开关(53)，顶端设有用于控制脚踏板(3)输出力量大小的力量调节旋钮(55)。

10.根据权利要求9所述的一种气动肌肉驱动的轮椅用踝关节康复训练装置，其特征在于，所述的控制开关(5)通过导线(58)与控制器本体通讯连接，或所述的控制开关(5)与控制器本体通过无线连接。