CN112807626B - 一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明的技术方案结合仿生学设置联动机构与直线推进机构将患者腿部及脚部在进行运动时的运动轨迹转化为可执行监测的机械组件；藉此利用监测组件监测患者在运动时的运动幅度是否过大，若运动幅度过大，利用阻止机构和急停机构反向暂停患者运动。

Description

一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及为一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置。

背景技术

骨损伤是生活中常见的一种问题，主要是运动或碰撞引发的骨头损伤，这种情况需要针对骨损伤的程度来进行判断，并且进行后期的康复运动，帮助骨损伤患者恢复。针对腿部骨折1～2周内断端虽经整复，但不稳定，此时骨折并发的软组织损伤尚需修复，局部疼痛，肢端肿胀仍存在，因此锻炼主要形式是通过腿部肌肉收缩放松运动及在不影响断端再移位的情况下，进行腿部关节屈伸活动，以帮助血液回流，促进肿胀消退，防止肌肉萎缩。骨折2～3周后肢体肿胀疼痛已明显减轻，软组织创伤已基本修复，骨痂开始形成，断端初步连接。除加强进行肌肉收缩与放松运动外，其他关节均可逐渐加大主动活动度，由单一而到几个关节的协同锻炼，在牵引架上的病人，也可通过肌肉收缩、放松和身体其他部位的运动来带动患肢的活动。

在患者腿部骨折的康复过程中，是存在由借助外力至自主完成训练的这一过程，其借助外力的过程在肌肉训练中称为被动训练，其自主完成训练的过程在肌肉训练中称为主动训练；在被动训练至主动训练的过程中；由于缺乏医生辅导，患者无法判断自身运动幅度的大小，且运动幅度的大小直接影响愈后回复的好坏。

本发明针对现有患者在被动训练转化为主动训练的过程中无法自主监测自身运动幅度的问题，提供一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置。

发明内容

为了克服现有患者在被动训练转化为主动训练的过程中无法自主监测自身运动幅度，本发明提供一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置。

一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其包括：承置患者脚部的第一运动台、承置患者腿部的第二运动台；其特征在于；在第一运动台与第二运动台的下端设置承置第一运动台与第二运动台的长板；患者在主动进行踝关节内外旋时脚弓处一点存在一椭圆形运动轨迹，且沿该点的运动轨迹在第一运动台表面设置随该点运动的联动支架；在所述长板的端面设置监测联动支架运动幅度的第一监测组件以及反向锁紧联动支架的急停机构；患者在主动进行膝关节弯曲联系时腿部一点存在一直线运动轨迹，且沿该点的运动轨迹在第二运动台表面设置随该点运动的直线滑动机构；在所述长板端面设置监测直线滑动机构运动幅度的第二监测组件以及反向锁紧直线滑动机构的阻止机构；使用时联动机构与直线推进机构将患者腿部及脚部在进行运动时的运动轨迹转化为可执行监测的机械组件；藉此利用监测组件监测患者在运动时的运动幅度是否过大，若运动幅度过大，利用阻止机构和急停机构反向暂停患者运动。

进一步，沿患者脚部的一水平线在第一运动台的外表面设置一连接杆，且在连接杆的一端设置联动支架；上述设置可以对脚部进行踝关节内外旋时其原有脚部旋转中心点进行空间位置上的变化；避免联动机构影像患者足部自由进行踝关节内外旋。

进一步，所述联动支架包括固定平台和与连接杆一端固定的工作平台；所述固定平台与所述工作平台之间通过一条第一杆和一条第二杆相连；所述固定平台的两端分别与第一杆的第一端和第二杆的第一端通过转动副连接，所述工作平台的两端分别与第一杆的第二端和第二杆的第二端通过转动副连接；所述固定平台、工作平台、第一杆和第二杆均设为球面连杆，且其球心在空间重合成一点，即为该机构的旋转中心；所述工作平台上的一点绕其旋转中心做运动轨迹为椭圆形的往复运动；所述该点的运动轨迹与人体主动踝关节内外旋时脚弓处一点运动轨迹相似。

进一步，所述工作平台的第一端与旋转中心的连线为中心轴线；所述第一杆的第二端与旋转中心的中心连线绕其中心轴线做圆周远动。

进一步，所述工作平台的第二端与与旋转中心的连线与中心轴线保持在同一水平面，且其夹角不大于90度；上述设置是为了避免第二杆与工作平台发生运动干涉。

进一步，所述第二杆第一端的转动副的转动角度与患者在进行踝关节内外旋脚部一点的运动轨迹存在线性关系；脚部一点的椭圆形轨迹周长越长，该点的转动角度越大；在所述第二杆第一端的端点处设置监测组件。

进一步，所述第一监测组件包括：角度传感器、金属片、控制器；在所述第二杆第一端的转动副端面设置一金属片，且沿其端面的同一水平面设置角度传感器；在第一运动平台的端面设置接受该传感信息的控制器，且控制器的输出端与急停机构电连接。

进一步，所述急停机构设置在所述第一杆的第二端处；所述急停机构包括：相互啮合的两齿轮；在所述第一杆的第二端的转动副上设置两齿轮中的一齿轮，且沿其外缘设置另一齿轮；在另一齿轮的下端设置一推进另一齿轮做直线往复运动的滚珠丝杠，且在滚珠丝杠的一端设置一旋转电机，旋转电机与控制器电连接。

进一步，所述连接杆为90度弯折的连接杆，且连接杆与地面保持垂直；所述固定平台与水平地面的夹角为45度；上述设置使足跟段的受力点位置发生改变。

进一步，所述连接杆可沿中心处分割，且在所述连接杆的两个分割端口对应设置一螺纹连接机构；在进行膝关节弯曲练习；利用螺纹连接机构断开连接杆与脚辅助架；上述设置可以有效解决膝关节弯曲练习和踝关节内外旋时的运动干涉问题。

进一步，所述螺纹连接机构设置在连接杆一个分割端口且可转动的螺母以及设置在另一个分割端口且与螺母螺纹啮合的螺纹杆；使用时转动螺母拆卸连接杆的分割端口。

进一步，所述长板与所述固定平台的下端固定连接。

进一步，沿第一运动平台对应人体足跟处在第一运动平台底端设置一球铰头，且在球铰头的下端设置直线推进机构；所述直线推进机构包括一斜向滑轨以及与在滑轨上滑动的滑块；所述滑动的运动位移与膝关节的弯曲程度存在线性关系；膝关节弯曲强度越大，所述滑块的运动位移越大；沿滑块的运动方向在滑轨的一端设置第二监测组件；上述设置可以实现患者在进行膝关节弯曲练习时滑块上一点沿一斜向直线做往复直线运动，与患者进行膝关节弯曲练习时腿部一点的运动轨迹相同；监测滑块的运动位移等于监测患者进行膝关节弯曲时的弯曲强度。

进一步，所述第二监测组件设置为沿滑块端面设置在长板端面的位移传感器；且在滑块的端面设置与位移传感器适配的应变片；在滑块的侧端面设置阻止机构。

进一步，所述阻止机构设置为沿滑块侧端面轴向设置的电动推杆，且沿电动推杆的输出端在滑轨的端面设置与一排插孔；在电动推杆的输出轴上设置与插孔适配的插杆；所述电动推杆与控制器电连接；上述设置可以实现主动停止滑块运动，以提醒患者运动强度过大。

进一步，在长板的端面设置为位移传感器、角度传感器、旋转电机和电动推杆以及控制器提供电能的电池组件。

进一步，在所述第一运动平台与所述第二运动平台的连接处设置具有弯曲自由度的球铰机构，所述球铰机构包括伸缩杆、连接片、球铰头；在所述第一运动平台的端口处至所述第二运动平台的端口处依次设置连接片，且在连接片的端面均匀设置球铰头；伸缩杆依次连接相邻两篇连接片端面的球铰头；上述设置可以避免踝关节内外旋练习时患者脚腕处无法翻转。

进一步，在所述第一运动平台与所述第二运动平台的连接处设置具有弯曲自由度的软性皮质塑料；上述设置简单易实施。

与现有技术的康复训练监测装置相比，本发明的技术方案结合仿生学设置联动机构与直线推进机构将患者腿部及脚部在进行运动时的运动轨迹转化为可执行监测的机械组件；藉此利用监测组件监测患者在运动时的运动幅度是否过大，若运动幅度过大，利用阻止机构和急停机构反向暂停患者运动。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中联动支架的结构示意图；

图3为本发明中联动支架的运动示意图；

图4为本发明中联动支架的剖面观结构示意图；

图5为本发明中急停机构的结构示意图；

图6为本发明中连接杆的结构示意图；

图7为本发明中直线推进机构的结构示意图；

图8为本发明中阻止机构的结构示意图；

图9为本发明中球铰机构的结构示意图；

图中，1、联动支架；2、长板；3、直线滑动机构；4、第二运动台；5、第一运动台；6、连接杆；101、固定平台；102、第二杆；103、第一杆；104、工作平台；7、中心轴线；8、所述第一杆的第二端与旋转中心的中心连线；9、所述第二杆的第一端与与旋转中心的连线；10、金属片；11、角度传感器；12、急停机构；1201、相互啮合的两齿轮；1202、旋转电机；1203、滚珠丝杠；601、螺纹杆；602、可转动的螺母；301、位移传感器；302、插孔；303、滑块；304、滑轨；305、插杆；306、电动推杆；307、球铰头；13、伸缩杆；14、连接片。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置

一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其包括：承置患者脚部的第一运动台5、承置患者腿部的第二运动台4；其特征在于；在第一运动台5与第二运动台4的下端设置承置第一运动台5与第二运动台4的长板2；患者在主动进行踝关节内外旋时脚弓处一点存在一椭圆形运动轨迹，且沿该点的运动轨迹在第一运动台5表面设置随该点运动的联动支架1；在所述长板2的端面设置监测联动支架1运动幅度的第一监测组件以及反向锁紧联动支架1的急停机构12；患者在主动进行膝关节弯曲联系时腿部一点存在一直线运动轨迹，且沿该点的运动轨迹在第二运动台4表面设置随该点运动的直线滑动机构3；在所述长板2端面设置监测直线滑动机构3运动幅度的第二监测组件以及反向锁紧直线滑动机构3的阻止机构。

沿患者脚部的一水平线在第一运动台5的外表面设置一连接杆6，且在连接杆6的一端设置联动支架1；所述联动支架1包括固定平台101和与连接杆6一端固定的工作平台104；所述固定平台101与所述工作平台104之间通过一条第一杆103和一条第二杆102相连；所述固定平台101的两端分别与第一杆103的第一端和第二杆102的第一端通过转动副连接，所述工作平台104的两端分别与第一杆103的第二端和第二杆102的第二端通过转动副连接；所述固定平台101、工作平台104、第一杆103和第二杆102均设为球面连杆，且其球心在空间重合成一点，即为该机构的旋转中心；所述工作平台104上的一点绕其旋转中心做运动轨迹为椭圆形的往复运动；所述该点的运动轨迹与人体主动踝关节内外旋时脚弓处一点运动轨迹相似；所述长板2与所述固定平台101的下端固定连接。

所述工作平台104的第一端与旋转中心的连线为中心轴线7；所述第一杆103的第二端与旋转中心的中心连线绕其中心轴线7做圆周远动；所述工作平台104的第二端与与旋转中心的连线与中心轴线7保持在同一水平面，且其夹角不大于90度；上述设置是为了避免第二杆102与工作平台104发生运动干涉；所述第二杆102第一端的转动副的转动角度与患者在进行踝关节内外旋脚部一点的运动轨迹存在线性关系；脚部一点的椭圆形轨迹周长越长，该点的转动角度越大；在所述第二杆102第一端的端点处设置第一监测组件。

所述第一监测组件包括：角度传感器11、金属片10、控制器；在所述第二杆102第一端的转动副端面设置一金属片10，且沿其端面的同一水平面设置角度传感器11；在第一运动平台的端面设置接受该传感信息的控制器，且控制器的输出端与急停机构12电连接。

所述急停机构12设置在所述第一杆103的第二端处；所述急停机构12包括：相互啮合的两齿轮1201；在所述第一杆103的第二端的转动副上设置两齿轮中的一齿轮，且沿其外缘设置另一齿轮；在另一齿轮的下端设置一推进另一齿轮做直线往复运动的滚珠丝杠1203，且在滚珠丝杠1203的一端设置一旋转电机1202，旋转电机1202与控制器电连接。

所述连接杆6为90度弯折的连接杆6，且连接杆6与地面保持垂直；所述固定平台101与水平地面的夹角为45度；所述连接杆6可沿中心处分割，且在所述连接杆6的两个分割端口对应设置一螺纹连接机构；在进行膝关节弯曲练习；利用螺纹连接机构断开连接杆6与脚辅助架；所述螺纹连接机构设置在连接杆6一个分割端口且可转动的螺母602以及设置在另一个分割端口且与螺母螺纹啮合的螺纹杆601；使用时转动螺母拆卸连接杆的分割端口。

沿第一运动平台对应人体足跟处在第一运动平台底端设置一球铰头307，且在球铰头307的下端设置直线推进机构；所述直线推进机构包括一斜向滑轨304以及与在滑轨304上滑动的滑块303；所述滑动的运动位移与膝关节的弯曲程度存在线性关系；膝关节弯曲强度越大，所述滑块303的运动位移越大；沿滑块303的运动方向在滑轨304的一端设置第二监测组件。

所述第二监测组件设置为沿滑块303端面设置在长板2端面的位移传感器301；且在滑块303的端面设置与位移传感器301适配的应变片；在滑块303的侧端面设置阻止机构；所述阻止机构设置为沿滑块303侧端面轴向设置的电动推杆306，且沿电动推杆306的输出端在滑轨304的端面设置与一排插孔302；在电动推杆306的输出轴上设置与插孔302适配的插杆305；所述电动推杆306与控制器电连接；在长板2的端面设置为位移传感器301、角度传感器11、旋转电机1202和电动推杆306以及控制器提供电能的电池组件。

在所述第一运动平台与所述第二运动平台的连接处设置具有弯曲自由度的球铰机构，所述球铰机构包括伸缩杆13、连接片14、球铰头307；在所述第一运动平台的端口处至所述第二运动平台的端口处依次设置连接片14，且在连接片14的端面均匀设置球铰头307；伸缩杆13依次连接相邻两篇连接片14端面的球铰头307；上述设置可以避免踝关节内外旋练习时患者脚腕处无法翻转。

实施例2一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置

一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其包括：承置患者脚部的第一运动台5、承置患者腿部的第二运动台4；其特征在于；在第一运动台5与第二运动台4的下端设置承置第一运动台5与第二运动台4的长板2；患者在主动进行踝关节内外旋时脚弓处一点存在一椭圆形运动轨迹，且沿该点的运动轨迹在第一运动台5表面设置随该点运动的联动支架1；在所述长板2的端面设置监测联动支架1运动幅度的第一监测组件以及反向锁紧联动支架1的急停机构12；患者在主动进行膝关节弯曲联系时腿部一点存在一直线运动轨迹，且沿该点的运动轨迹在第二运动台4表面设置随该点运动的直线滑动机构3；在所述长板2端面设置监测直线滑动机构3运动幅度的第二监测组件以及反向锁紧直线滑动机构3的阻止机构。

沿患者脚部的一水平线在第一运动台5的外表面设置一连接杆6，且在连接杆6的一端设置联动支架1；所述联动支架1包括固定平台101和与连接杆6一端固定的工作平台104；所述固定平台101与所述工作平台104之间通过一条第一杆103和一条第二杆102相连；所述固定平台101的两端分别与第一杆103的第一端和第二杆102的第一端通过转动副连接，所述工作平台104的两端分别与第一杆103的第二端和第二杆102的第二端通过转动副连接；所述固定平台101、工作平台104、第一杆103和第二杆102均设为球面连杆，且其球心在空间重合成一点，即为该机构的旋转中心；所述工作平台104上的一点绕其旋转中心做运动轨迹为椭圆形的往复运动；所述该点的运动轨迹与人体主动踝关节内外旋时脚弓处一点运动轨迹相似；所述长板2与所述固定平台101的下端固定连接。

所述工作平台104的第一端与旋转中心的连线为中心轴线7；所述第一杆103的第二端与旋转中心的中心连线绕其中心轴线7做圆周远动；所述工作平台104的第二端与与旋转中心的连线与中心轴线7保持在同一水平面，且其夹角不大于90度；上述设置是为了避免第二杆102与工作平台104发生运动干涉；所述第二杆102第一端的转动副的转动角度与患者在进行踝关节内外旋脚部一点的运动轨迹存在线性关系；脚部一点的椭圆形轨迹周长越长，该点的转动角度越大；在所述第二杆102第一端的端点处设置第一监测组件。

所述第一监测组件包括：角度传感器11、金属片10、控制器；在所述第二杆102第一端的转动副端面设置一金属片10，且沿其端面的同一水平面设置角度传感器11；在第一运动平台的端面设置接受该传感信息的控制器，且控制器的输出端与急停机构12电连接。

所述急停机构12设置在所述第一杆103的第二端处；所述急停机构12包括：相互啮合的两齿轮1201；在所述第一杆103的第二端的转动副上设置两齿轮中的一齿轮，且沿其外缘设置另一齿轮；在另一齿轮的下端设置一推进另一齿轮做直线往复运动的滚珠丝杠1203，且在滚珠丝杠1203的一端设置一旋转电机1202，旋转电机1202与控制器电连接。

所述连接杆6为90度弯折的连接杆6，且连接杆6与地面保持垂直；所述固定平台101与水平地面的夹角为45度；所述连接杆6可沿中心处分割，且在所述连接杆6的两个分割端口对应设置一螺纹连接机构；在进行膝关节弯曲练习；利用螺纹连接机构断开连接杆6与脚辅助架；所述螺纹连接机构设置在连接杆6一个分割端口且可转动的螺母602以及设置在另一个分割端口且与螺母螺纹啮合的螺纹杆601；使用时转动螺母拆卸连接杆的分割端口。

沿第一运动平台对应人体足跟处在第一运动平台底端设置一球铰头307，且在球铰头307的下端设置直线推进机构；所述直线推进机构包括一斜向滑轨304以及与在滑轨304上滑动的滑块303；所述滑动的运动位移与膝关节的弯曲程度存在线性关系；膝关节弯曲强度越大，所述滑块303的运动位移越大；沿滑块303的运动方向在滑轨304的一端设置第二监测组件。

所述第二监测组件设置为沿滑块303端面设置在长板2端面的位移传感器301；且在滑块303的端面设置与位移传感器301适配的应变片；在滑块303的侧端面设置阻止机构；所述阻止机构设置为沿滑块303侧端面轴向设置的电动推杆306，且沿电动推杆306的输出端在滑轨304的端面设置与一排插孔302；在电动推杆306的输出轴上设置与插孔302适配的插杆305；所述电动推杆306与控制器电连接；在长板2的端面设置为位移传感器301、角度传感器11、旋转电机1202和电动推杆306以及控制器提供电能的电池组件。

在所述第一运动平台与所述第二运动平台的连接处设置具有弯曲自由度的软性皮质塑料。

上述实施例的说明只是用于理解本发明。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进也将落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其包括：承置患者脚部的第一运动台、承置患者腿部的第二运动台；其特征在于；在第一运动台与第二运动台的下端设置承置第一运动台与第二运动台的长板；患者在主动进行踝关节内外旋时脚弓处一点存在一椭圆形运动轨迹，且沿该点的运动轨迹在第一运动台表面设置随该点运动的联动支架；所述联动支架包括固定平台和与连接杆一端固定的工作平台；所述固定平台与所述工作平台之间通过一条第一杆和一条第二杆相连；所述固定平台的两端分别与第一杆的第一端和第二杆的第一端通过转动副连接，所述工作平台的两端分别与第一杆的第二端和第二杆的第二端通过转动副连接；所述固定平台、工作平台、第一杆和第二杆均设为球面连杆，且其球心在空间重合成一点，所述该点的运动轨迹与所述椭圆形运动轨迹相似；在所述长板的端面设置监测联动支架运动幅度的第一监测组件以及反向锁紧联动支架的急停机构；所述第一监测组件包括：角度传感器、金属片、控制器；在所述第二杆第一端的转动副端面设置一金属片，且沿其端面的同一水平面设置角度传感器；患者在主动进行膝关节弯曲联系时腿部一点存在一直线运动轨迹，且沿该点的运动轨迹在第二运动台表面设置随该点运动的直线滑动机构；所述直线滑动机构包括一斜向滑轨以及与在滑轨上滑动的滑块；所述滑动的运动位移与膝关节的弯曲程度存在线性关系；在所述长板端面设置监测直线滑动机构运动幅度的第二监测组件以及反向锁紧直线滑动机构的阻止机构；所述第二监测组件包括设置在所述滑块端面的应变片以及设置在所述长板端面的位移传感器；在第一运动台的端面设置接受传感信息的控制器。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其特征在于，沿患者脚部的一水平线在第一运动台的外表面设置一连接杆，且在连接杆的一端设置联动支架。

3.根据权利要求2所述的一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其特征在于，所述联动支架中第二杆第一端的转动副的转动角度与患者在进行踝关节内外旋脚部一点的运动轨迹存在线性关系；脚部一点的椭圆形轨迹周长越长，该点的转动角度越大；在所述第二杆第一端的端点处设置第一监测组件。

4.根据权利要求1所述的一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其特征在于，所述第一监测组件中控制器的输出端与急停机构电连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其特征在于，所述急停机构设置在所述第一杆的第二端处；所述急停机构包括：相互啮合的两齿轮；在所述第一杆的第二端的转动副上设置两齿轮中的一齿轮，且沿其外缘设置另一齿轮；在另一齿轮的下端设置一推进另一齿轮做直线往复运动的滚珠丝杠，且在滚珠丝杠的一端设置一旋转电机，旋转电机与控制器电连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其特征在于，沿第一运动台对应人体足跟处在第一运动台底端设置一球铰头，且在球铰头的下端设置直线滑动机构。

7.根据权利要求6所述的一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其特征在于，在滑块的侧端面设置阻止机构。

8.根据权利要求6所述的一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其特征在于，所述阻止机构设置为沿滑块侧端面轴向设置的电动推杆，且沿电动推杆的输出端在滑轨的端面设置一排插孔；在电动推杆的输出轴上设置与插孔适配的插杆；所述电动推杆与控制器电连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其特征在于，在长板的端面设置为位移传感器、角度传感器、旋转电机和电动推杆以及控制器提供电能的电池组件。

10.根据权利要求1所述的一种基于仿生学的下肢康复锻炼监测装置，其特征在于，在所述第一运动台与所述第二运动台的连接处设置具有弯曲自由度的软性皮质塑料。

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