CN110613583B - 一种促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置及训练方法，本发明通过对坐姿或仰卧姿下肢的踝关节的旋转中心施加急剧加速的被动跖屈，使目标背伸肌肉（前胫骨肌）伸张，肌肉紧张增大后立刻引起背伸运动，进而诱导出患者主动的目标随意背伸动作，从而对背伸运动相关的神经回路施加刺激，通过反复训练达到目标神经回路促通的效果；采用围绕踝关节的旋转中心的旋转运动来实现诱发踝关节背伸运动，从而达到诱导目标随意背伸动作和反复背伸训练的康复效果。

Description

一种促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置

技术领域：

本发明涉及一种促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置及训练方法。

背景技术：

社会老龄化的加剧和脑卒中发病率的提高，使得脑卒中成为导致老年人肢体残疾的首要原因。由于中枢神经系统受到损伤，脑卒中患者在急性期后会伴随着偏瘫和运动机能缺失等后遗症，给患者个人、家庭和社会带来沉重负担。康复医学临床实践表明，由于神经可塑性的存在，在病情稳定后尽早开展肢体功能康复，通过反复训练，能够促进相关神经回路重建，明显提高患者的运动功能康复程度。因此，康复治疗成为脑卒中患者治疗过程中的重要环节。

传统的康复治疗主要由治疗师手把手地对患者进行一对一的训练，这种方式耗时耗力，训练效果易受到治疗师主观因素的影响。目前，我国非常紧缺的康复医疗资源难以满足大量患者的治疗需求。将机器人技术应用于康复领域，利用康复机器人进行辅助治疗，具有提高康复训练效率和改善康复效果的潜力，有望有效缓解康复医疗资源紧缺矛盾。

瑞士苏黎世联邦理工学院研制的Lokomat是下肢康复机器人的典型代表例，它是一种外骨骼机器人系统，在康复临床上得到广泛应用。虽然Lokoma通过机械腿带动，可以为患者提供自然、重复性、激励性的步态训练，但它的造价昂贵，而且不能进行单一关节的康复训练。LokoHelp等末端型下肢康复机器人，虽然结构相对简单，但仍然是针对整体步态训练的。

目前临床上常用的下肢关节CPM（Continuous Passive Motion）康复器，只是通过患者的连续被动运动，达到防止关节黏连、肌肉萎缩、关节炎发生的效果，缺乏患者的主动参与。而康复临床研究指出，患者按运动意图主动参与的康复训练才能有助于神经回路促通和运动功能恢复。

由于行走步态的复杂性，对于卒中偏瘫患者来说，单个关节的康复训练是必不可少的治疗环节。而目前尚没有使患者主动参与、有益于神经回路重建的下肢踝关节康复训练装置和方法，能够满足临床康复的需求。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置及训练方法。

本发明所采用的技术方案有：

一种促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置的训练方法 ，其功能包括：

被动跖屈和背伸：装置脚踏板施加外部旋转运动，并使脚踏板以坐姿或仰卧姿下肢的偏瘫踝关节为旋转中心作下、上方向的往复摆动，使被动跖屈或背伸而下肢其他关节不产生运动；

主动背伸的运动促通刺激：对坐姿或仰卧姿下肢的偏瘫踝关节施加诱发主动运动的促通刺激，并使偏瘫踝关节产生自主意志的主动背伸；

能动辅助主动背伸运动：通过传感器感知偏瘫踝关节的主动运动意图，实施对偏瘫踝关节自主背伸运动的能动助力辅助。

进一步地，所述脚踏板往复过程中，通过对脚踏板施加由第一阶段低速和第二阶段高速的外部速度由低到高的二阶段加速被动跖屈运动，来实施促通刺激以诱发偏瘫踝关节产生自主意志的主动背伸。

本发明还提供一种促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置，包括训练平台主机、控制器和系统软件组成，所述训练平台主机与控制器电性连接，系统软件与控制器配合；所述训练平台主机包括底座、脚踏板、脚踏板位置调节机构、脚踏板旋转角度限位机构和设有扭力传感器的驱动轴，所述驱动轴转动连接在底座上，脚踏板位置调节机构与驱动轴相连，脚踏板与脚踏板位置调节机构相连接，脚踏板位置调节机构使得踝关节屈伸旋转中心对中于驱动轴的轴线，装有扭力传感器的驱动轴与固定于所述底座上的驱动电机相连接，所述驱动电机驱动驱动轴旋转，并使脚踏板能够围绕踝关节屈伸旋转中心来回旋转，脚踏板旋转角度限位机构连接在底座上，限定脚踏板的旋转角度。

进一步地，所述驱动电机为伺服电机，所述伺服电机的后端安装有编码器。

进一步地，所述脚踏板上安装有LED灯和蜂鸣器。

进一步地，所述脚踏板和训练平台主机中的外壳上设有刺激接口，固定在患者腿部的振动刺激器或电刺激电极通过所述刺激接口与所述控制器连接。

进一步地，所述控制器由计算机、电源模块、主控电路模块和电机驱动模块组成，所述计算机运行所述系统软件，并通过触摸屏为用户提供操作界面；所述主控电路模块负责扭力传感器信号处理、振动刺激器控制、蜂鸣器控制、LED灯控制；所述电源模块和电机驱动模块对应为驱动电机提供驱动电源和转速控制。

进一步地，所述系统软件包括驱动轴运动控制和用户操作交互界面两大功能。

进一步地，所述驱动轴运动控制是指根据训练模式和所述扭力传感器的检测信息按照设定的控制算法控制所述驱动轴的旋转方向和速度。

进一步地，所述用户操作交互界面包括患者信息输入与管理、训练模式与参数设定、运动分析与评价和控制参数设定。

本发明具有如下有益效果：

1）卒中偏瘫患者，尤其是早期患者，几乎完全丧失主动踝关节背伸功能，难以按照自己意愿主动产生背伸动作参与康复训练；

本发明具有被动跖屈和背伸功能，通过对坐姿或仰卧姿下肢的偏瘫踝关节施加围绕屈伸旋转中心的外部旋转运动使其被动跖屈或背伸；

本发明具有主动背伸的运动促通刺激功能，对坐姿或仰卧姿下肢的偏瘫踝关节施加诱发主动运动的促通刺激使偏瘫踝关节能产生自主意志的主动背伸；主动背伸是对偏瘫踝关节施加由第一阶段低速（第一匀速区）和第二阶段高速（加速区）的外部速度由低到高的二阶段急剧加速被动跖屈运动，来实施促通刺激以诱发偏瘫踝关节产生自主意志的主动背伸。

本发明具有能动辅助主动背伸运动功能，通过扭力传感器判断脚踏板往复运动过程中的扭力变化进而得知偏瘫踝关节的主动运动意图。若扭力传感器力矩变大时，则偏瘫踝关节的主动意识强，则增大驱动电机作用力，实施对偏瘫踝关节自主背伸运动的能动助力辅助。

2）本发明中的角度限制单元是用过机械的相互联动来实现，结构调节方便，且脚踏板的上摆极限位置处和下摆极限位置处的角度限制单元的调节为相互独立的单元，使用灵活，可以单独调整控制，使用及其方便；

不同致残程度和不同康复阶段的受训者，踝关节活动度不同，也就是踝关节背曲和趾屈角度不同，为了避免程序失控造成过度旋转，设置角度限制单元，训练前测量受训者踝关节活动度，通过移动滑块位置调整限位臂的限制角度，限位臂将转动臂的旋转角度限制在一定范围内。

3）脚踏板中的脚板为可分离的结构，在使用时，可事先将分离的脚踏板固定在脚底部，避免直接在装置中完成受训者脚部固定，降低脚部固定难度和减少患者痛苦。

附图说明：

图 1 为本发明的实施例结构图。

图 2、图3、图4、图5 和图6为图1结构中用于限制脚踏板超出设定运动范围的角度限制结构图。

图 7 为实现图 1结构中脚踏板升降的结构图。

图 8 和图9为本发明中用于限制脚踏板超出设定运动范围的角度限制结构的动作图。

图10、图11和图12 为实现图 1结构中脚踏板分离的结构图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1：

本发明一种促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置的训练方法 ，可在下肢其他关节非运动的状态下使踝关节屈单独屈伸旋转（既跖屈和背伸旋转），并具有如下功能：

被动跖屈和背伸功能：对脚踏板施加外部旋转运动，并使脚踏板以坐姿或仰卧姿下肢的偏瘫踝关节为旋转中心作下、上方向的往复摆动，使踝关节被动跖屈或背伸而下肢其他关节不产生运动。

主动背伸的运动促通刺激功能：对坐姿或仰卧姿下肢的偏瘫踝关节施加诱发主动运动的促通刺激，并使偏瘫踝关节产生自主意志的主动背伸。

主动背伸实现过程为：脚踏板往复过程中，通过对脚踏板施加由第一阶段低速和第二阶段高速的外部速度由低到高的二阶段急剧加速被动跖屈运动，来实施促通刺激以诱发偏瘫踝关节产生自主意志的主动背伸。

能动辅助主动背伸运动：通过传感器感知偏瘫踝关节的主动运动意图，实施对偏瘫踝关节自主背伸运动的能动助力辅助。

通过扭力传感器判断脚踏板往复运动过程中的扭力变化进而得知偏瘫踝关节的主动运动意图。若扭力传感器力矩变大时，则偏瘫踝关节的主动意识强，则增大驱动电机12作用力，实施对偏瘫踝关节自主背伸运动的能动助力辅助。

本发明还提供一种促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置，

包括训练平台主机、控制器和系统软件组成，训练平台主机与控制器电性连接，系统软件与控制器配合。

训练平台主机包括底座11、脚踏板21、脚踏板位置调节机构、脚踏板旋转角度限位机构2和设有扭力传感器14的驱动轴13，驱动轴13转动连接在底座11上，脚踏板位置调节机构与驱动轴13相连，脚踏板21与脚踏板位置调节机构相连接，脚踏板位置调节机构使得踝关节屈伸旋转中心对中于驱动轴13的轴线，装有扭力传感器14的驱动轴13与固定于底座11上的驱动电机12相连接，驱动电机12驱动驱动轴旋转，并使脚踏板能够围绕踝关节屈伸旋转中心来回旋转，脚踏板旋转角度限位机构连接在底座上，限定脚踏板的旋转角度。

本发明中的驱动电机12为伺服电机，在伺服电机的后端安装有编码器。脚在踏板21上安装有LED灯和蜂鸣器。

脚踏板21和训练平台主机中的外壳上设有刺激接口，固定在患者腿部的振动刺激器或电刺激电极通过刺激接口与控制器连接。

本发明中的控制器由计算机、电源模块、主控电路模块和电机驱动模块组成，

计算机运行系统软件，并通过触摸屏为用户提供操作界面；主控电路模块负责扭力传感器信号处理、振动刺激器控制、蜂鸣器控制、LED灯控制。电源模块和电机驱动模块分别对应为驱动电机提供驱动电源和转速控制。

系统软件包括驱动轴运动控制和用户操作交互界面两大功能。其中：

驱动轴运动控制是指根据训练模式和所述扭力传感器的检测信息按照设定的控制算法控制所述驱动轴的旋转方向和速度。

用户操作交互界面包括患者信息输入与管理、训练模式与参数设定、运动分析与评价和控制参数设定。

实施例2：

本发明提供一种具体的机械结构，来实现训练装置中各功能的动作执行，以下对该具体的结构进行描述。

如图1和图2，一种促通式偏瘫踝关节功能康复训练装置，包括脚踏板21、驱动电机12和设有扭力传感器14的驱动轴13，驱动电机12与驱动轴13相连，驱动轴13与脚踏板21相连，驱动电机12驱动脚踏板21往复运动，并助动受训者以受训者偏瘫踝关节为旋转中心作下、上方向的往复摆动。

脚踏板旋转角度限位机构2包括限位轴31、滑块34、滑台35、连接块36、设有转动面321的转动臂32以及设有限位面331的限位臂33。

在底座11上设置两个固定架110，驱动轴13和限位轴31通过轴承对应转动连接在两个固定架110上，且驱动轴13与限位轴31水平且同轴布置，驱动轴13和限位轴31工作时，绕着其轴心方向上的轴线200转动。

驱动轴13和限位轴31分别设置在脚踏板21两侧并与脚踏板21连接，两转动臂32固定于限位轴31的两端，且两转动臂32上的转动面321相互错开布置。两限位臂33分别置于一转动臂32的内侧，且两限位臂33均通过轴承转动连接在限位轴31上。限位臂33上的限位面331处于对应侧转动臂32上转动面321绕轴线200转动的转动路径上。

滑台35固定于固定架110上且水平置于限位轴31下方，滑台35处于两限位臂33之间，两滑块34平行设置，且两滑块34通过滑移固定于滑台35的沿滑移方向的不同位置上，两连接块36分别与一限位臂33滑动连接，且两连接块36分别对应与对应侧的滑块34相铰接。

处于滑台35滑移方向不同位置上的两滑块34分别通过对应侧的连接块36和限位臂33的传动，并使得限位臂33上的限位面331处于转动面321转动时的不同周向位置上，驱动电机12驱动驱动轴13转动，驱动轴13驱动脚踏板21在两所述不同周向位置的范围内绕轴线200摆动。

结合图3至图6，在滑台35上设有两个相互平行布置的轨道351，两个轨道351实现两滑块34的滑移，轨道351的方向即为滑块34的滑移方向。

轨道351与限位轴31的轴线相互垂直，两个滑块34对应滑动连接在两轨道351上，且滑块34通过滑移固定于轨道351的不同位置上。

在滑块34滑动至合适位置后，为便于固定滑块34的位置，在滑块34上插接有锁紧块343，锁紧块343为“H”形结构，锁紧块343上端的卡槽与滑块34相互卡接，锁紧块343下端的卡槽滑动连接在轨道351上，在滑块34上螺纹连接有锁紧螺钉344，锁紧螺钉344贯穿于滑块34并抵触在锁紧块343上，并将锁紧块343抵触在轨道351上。松开锁紧螺钉344，可以调整滑块34在轨道351上的位置。

为便于安装连接块36，在每个滑块34的外侧面上固定一个固定板345，固定板345竖直布置，连接块36铰接在固定板345的外端面上。

在连接块36上设有滑槽368，在限位臂33上设有滑筋338，滑筋338插接在滑槽368内，实现限位臂33与连接块36之间的滑动连接。

转动臂32为圆形块结构，在转动臂32的圆形方向上设有固定孔，该固定孔与限位轴31固定连接。在转动臂32的外圆周壁上设有矩形状的凸块320，凸块320的一侧端面形成转动面321。两个转动臂32固定于限位轴31后，两转动臂32上的凸块320错开布置。

限位臂33为条形板结构，在限位臂33上设有垂直于限位臂33的限位块330，限位块330为矩形状结构，限位块330上与凸块320中所述转动面321相对的一侧面为限位面331。

如图7，本实施例中的脚踏板位置调节机构采用丝杠升降机构51。在驱动轴13与限位轴31的末端均固定有丝杠升降机构51，在每个丝杠升降机构51的自由端固定有夹座52，夹座52包括上夹板521和下夹板522，脚踏板21固定于上夹板和下夹板之间。

丝杠升降机构51为现有的常规结构件，故本发明不再对此结构即原理进行赘述。通过丝杆旋转调整脚踏板21到旋转中心距离，使脚踏板21的旋转中心与踝关节旋转中心同轴。

丝杠升降机构51是为了使得脚踏板21的旋转中心与踝关节旋转中心同轴，脚踏板21往复运动时，是通过对受训者偏瘫踝关节施加以踝关节旋转中心为旋转中心的外部旋转运动使其被动跖屈或背伸，并带动膝关节的伸膝或屈膝。

丝杠升降机构51亦可以使用气缸或者滑块升降机构来代替使用。

本发明中转动臂32和限位臂33共同组成本发明中的角度限制单元300，两个角度限制单元300形成一个限位区域，角度限制单元300起到安全防护作用，避免脚踏板21超出限位区域，造成患者二次伤害。

如图8和图9，本发明中的角度限制单元300是用过机械的相互联动来实现，即在需要调整脚踏板的上摆或下摆极限位置时，只需要滑动对应位置的滑块34，滑块34滑动过程中带动连接块36转动，连接块36转动过程中带动限位臂33转动，最终实现限位臂33上限位面331的位置变化。上摆极限位置处和下摆极限位置处的角度限制单元300的调节为相互独立的单元，使用灵活，可以单独调整控制，使用及其方便。

实施例3：

如图10至图12，本实施例提供装置中可分离脚踏板的一种结构。脚踏板21包括底板211、脚板212和扣锁213，底板211通过螺钉固定于下夹板522的上端面上，且底板211的上端面与上夹板521的下端面之间形成有插槽，扣锁213固定于底板211上端面的顶端，脚板212插接于所述插槽内，且脚板212通过扣锁213固定于底板211上。

脚踏板21中的脚板212为可分离的结构，在使用时，先将脚板212通过魔术带等将受训者脚部固定在其上面，然后将脚板212推入固定位置，通过两侧的上夹板521（上夹板与脚板通过螺钉固定）和顶端的扣锁213将脚板212固定在底板211上。扣锁213可以手动按压按钮解除锁紧。脚板212可分离，可事先绑在受训者脚部，避免直接在装置中完成受训者脚部固定，减少患者痛苦。

本发明中的扣锁213结构为：包括壳体2131、锁杆2132、按压块2133和弹簧，在壳体2131为矩形状结构，在壳体2131的上端面设有两个插孔，且插孔的底端延伸于壳体2131的下端面上，在壳体2131的左右两侧端面上均设有一个开关孔，且一个开关孔与一个插孔相贯通。

锁杆2132插接在插孔内，且锁杆2132的下端伸出壳体2131外。在锁杆2132上设有台阶面，弹簧套设在锁杆2132上，且弹簧的上端面抵触在插孔的内壁上，下端面抵触在锁杆2132的台阶面上。

在锁杆2132上设有拨动槽2134，在按压块2133上设有楔形面2135，按压块2133插接在开关孔内，且按压块2133上的楔形面2135对应伸于拨动槽2134内，向内压动按压块2133，并使得锁杆2132向上运动，并使得锁杆2132的下端收纳于插孔内。

为便于将按压块2133定位于开关孔内，在按压块2133上设有腰型槽，在开关孔内设置限位销，限位销插接在腰型槽内。

扣锁213通过角钢固定于底板211上，在脚板212上设置锁孔，扣锁213中的锁杆2132插接在锁孔内。

为便于更好的支持受训者脚部，在脚板212上端面的底端设有脚跟支撑块214。

实施例4：

在驱动轴13与限位轴31的后侧均设置一根支撑轴61，两根支撑轴61同轴设置，且与驱动轴13和限位轴31等高设置。

训练间隙需要支撑脚踏板21时，两支撑轴61伸出，脚踏板21的顶端支撑在支撑轴61上，用于支撑脚踏板21。支撑轴61可以分担脚部重量对驱动电机12的扭矩，防止受训者踝关节背曲肌一直处于拉伸状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置，其特征在于：包括训练平台主机、控制器、系统软件以及振动刺激器或电刺激电极，所述训练平台主机与控制器电性连接，系统软件与控制器配合；

所述训练平台主机包括底座、脚踏板位置调节机构、脚踏板旋转角度限位机构、以踝关节为旋转中心的脚踏板和设有扭力传感器的驱动轴，所述驱动轴转动连接在底座上，脚踏板位置调节机构与驱动轴相连，脚踏板与脚踏板位置调节机构相连接，脚踏板位置调节机构使得踝关节屈伸旋转中心对中于驱动轴的轴线，装有扭力传感器的驱动轴与固定于所述底座上的驱动电机相连接，所述驱动电机驱动驱动轴旋转，并使脚踏板能够围绕踝关节屈伸旋转中心来回旋转，所述脚踏板旋转角度限位机构连接在底座上，限定脚踏板的旋转角度；

对脚踏板施加外部旋转运动，并使脚踏板以坐姿或仰卧姿下肢的偏瘫踝关节为旋转中心作下、上方向的往复摆动，使踝关节被动跖屈或背伸而下肢其他关节不产生被动运动；

在脚踏板往复过程中，对坐姿或仰卧姿下肢的偏瘫踝关节通过对脚踏板施加由第一阶段低速和第二阶段高速的外部速度由低到高的二阶段加速被动跖屈运动，来实施运动加速的促通刺激以诱发偏瘫踝关节产生自主意志的主动背伸；并由振动刺激器或电刺激电极的促通刺激以诱发主动背伸；

通过扭力传感器以感知偏瘫踝关节的主动运动意图，实施对偏瘫踝关节自主背伸运动的能动助力辅助；

所述脚踏板旋转角度限位机构包括脚踏板、限位轴、滑块、滑台、连接块、设有转动面的转动臂、设有限位面的限位臂以及设有扭力传感器的驱动轴，所述驱动轴和限位轴同轴线地设置在脚踏板两侧并与脚踏板连接，两转动臂固定于限位轴上，两限位臂分别置于一转动臂的一侧并转动连接于限位轴，限位面处于转动臂上的转动面绕所述轴线转动的转动路径上，滑台水平置于限位轴下方且处于两限位臂之间，两滑块平行设置，且通过滑移固定于滑台的沿滑移方向的不同位置上，两连接块分别与一限位臂滑动连接并与对应侧的滑块铰接；处于所述不同位置上的两滑块分别通过对应连接块和限位臂的传动使限位臂上的限位面处于转动面转动时的不同周向位置上，驱动轴驱动脚踏板在两所述不同周向位置的范围内绕所述轴线摆动。

2.如权利要求1所述的促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置，其特征在于：所述驱动电机为伺服电机，所述伺服电机的后端安装有用于感知旋转运动的加速度、速度和角度的编码器。

3.如权利要求1所述的促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置，其特征在于：所述脚踏板上安装有用于促通刺激的LED灯和蜂鸣器。

4.如权利要求2所述的促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置，其特征在于：所述脚踏板和训练平台主机中的外壳上设有刺激接口，固定在患者腿部用于促通刺激的振动刺激器或电刺激电极通过所述刺激接口与所述控制器连接。

5.如权利要求3所述的促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置，其特征在于：所述控制器由计算机、电源模块、主控电路模块和电机驱动模块组成，所述计算机运行所述系统软件，并通过触摸屏为用户提供操作界面；所述主控电路模块负责扭力传感器信号处理、振动刺激器控制、蜂鸣器控制、LED灯控制；所述电源模块和电机驱动模块对应为驱动电机提供驱动电源和转速控制。

6.如权利要求1所述的促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置，其特征在于：所述系统软件包括驱动轴运动控制和用户操作交互界面两大功能。

7.如权利要求5所述的促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置，其特征在于：所述驱动轴运动控制是指根据训练模式和所述扭力传感器及编码器的感知运动信息按照设定的控制算法控制所述驱动轴的旋转方向和速度。

8.如权利要求6所述的促通式偏瘫踝关节运动功能康复训练装置，其特征在于：所述用户操作交互界面包括患者信息输入与管理、训练模式与参数设定、运动分析与评价和控制参数设定。