CN113332096A - 一种纯机械驱动的便携式膝关节康复锻炼装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纯机械驱动的便携式膝关节康复锻炼装置，包括脚蹬、小腿托、保护外壳和下壳，保护外壳上部设有大腿托，保护外壳内部设置有第一齿轮，下壳上方设置有第二齿轮，第二齿轮与齿条啮合在一起，齿条与下壳滑动副连接，齿条上固定安装有储能弹簧，储能弹簧通过钢丝绳与脚蹬连接在一起；第一齿轮与第三齿轮啮合，第三齿轮与中空连杆一体式设置，中空连杆的一端通过第三短销轴铰接在保护外壳上，另外一端通过长销轴与小腿托铰接副连接；中空连杆的中部设置有交叉杆，交叉杆一端通过第二短销轴与保护外壳铰接，另外一端通过第一短销轴与所述小腿托铰接。该装置完全由康复者自身提供动力源，达到膝关节及小腿部肌肉的康复及锻炼的目的。

Description

一种纯机械驱动的便携式膝关节康复锻炼装置
技术领域
本发明涉及一种纯机械驱动的便携式膝关节康复锻炼装置，属于腿部康复或锻炼技术领域。
背景技术
随着我国人口老龄化程度的加剧，老年人诸多生理机能衰弱，其中带来的一个问题就是腿脚不利，而腿脚不利又会带来更可怕的后果，一部分老年人身上的突发身体安全和健康问题可能就是一次简单的摔倒。同时，对于本就有膝关节相关病症或因其他原因造成膝关节损伤的人，在当前医院相关康复医疗师应接不暇并且无法时刻监督的情况下，急需一种简单方便，切实可行的医疗设备，使患者得到及时又持久的康复训练，提升治疗效果。
目前，国内外关于膝关节康复锻炼装置的研究主要有以下几个方向：
（1）整体式康复锻炼辅助设备。通常带有固定座位。通过液压杆控制座位的高度，通过伺服电机控制作为前后间距，通过电磁铁控制电路控制负重，并配有风扇和显示屏，提升了使用体验。该装置要求人坐在椅子上，调整好高度和位置，将膝关节内侧挂在第一支撑杆上，再把小腿肚与第二支撑杆相贴，脚背勾住第三支撑杆，此时双腿已呈90°姿势，锻炼时，双腿需继续弯曲，带动摆动杆摆动，摆动杆使钢丝绳拉起盖板上下滑动通过板上的弹簧的反作用力，锻炼膝关节。同时还能控制负重，适应不同使用者的要求。此设计能够达到锻炼腿部肌肉，但没有涉及腿部伸直的状态，不能满足膝关节全角度活动的锻炼目的；同时，虽然有风扇和显示屏播放的视频能给使用者带来较为舒适和解乏的效果，但因整体过大过重，无法轻松搬移，只能固定在一处训练，不能用在其他场合，导致使用不太方便、灵活，并且要耗费更多能源。
（2）康复用穿戴式下肢外骨骼机器人。该外骨骼机器人涉及下肢部分多个关节，其自由度共有11个，包括腰部的1个旋转自由度，单腿髋关节3个自由度，单腿膝关节1个自由度，单腿踝关节自由度1个自由度，并且安装可调，运功可限制，在不使用外骨骼时，可以通过腰部旋转零件将机器人由腿外侧向内侧旋转，减少占用空间。此设计运用了较为新颖的外骨骼概念，能够给下肢无法自主或瘫痪的患者提供外力援助，帮助他们做康复训练。同时应该注意，虽然可以穿戴在患者身上，但是零件过多，重量较大，且由于自由度较多，驱动其运动的电机数量也较多，能源消耗较大。结构复杂的同时，还带来了目标关节康复针对性不强的问题。如果患者长期无法脱离外骨骼机器人的帮助，不仅会增加功耗，还达不到康复、自主独立的效果。
（3）轻量化腿部康复装置。一种安装在与之配套的轮椅上的轻量化康复装置，其整体结构除具有一般轮椅的功能外，还有更好的减震缓冲性能，并带有供电机构。其技术特征是通过调节螺栓调整支架和杆的长度和位置，通过电机和电动推杆控制支撑座来回摆动的角度。在充好电后，将患者扶到座位上，可走出户内，在户外活动。将脚放在踏板上，小腿放在支撑板上，然后利用电动推杆调节小腿部支撑座的倾斜角度，以使得患者比较舒适，同时可利用电动推杆驱动小腿部支撑座以铰接座为支点往复上下运动，这样可以对患者的膝关节进行主动康复锻炼。此设计对于已经习惯轮椅生活的一类老年人十分友好，但具体操作需要有人在一边指导，且如果电量不足，就无法实现锻炼功能，且电器件脆弱易坏，维修成本大。
鉴于现有针对膝关节康复锻炼装置设计的各种不足，本发明在简易脚托的基础上进行改进，通过增加“齿轮-齿条-连杆”机械传动机构实现将单脚的小幅踩动转换成齿条直线的动力输出，带动齿轮，进而带动两个连杆作平面运动，再借助储能弹簧的回弹力，最终达到小腿托往复弯曲和伸直的目的。若需要双腿得到锻炼，可改用更长的轴，加装另一侧的组件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纯机械驱动的便携式膝关节康复锻炼装置，完全由康复者自身提供动力源，驱动整个装置运转进而带动小腿托弯曲，实现对膝关节的康复锻炼。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种纯机械驱动的便携式膝关节康复锻炼装置，包括脚蹬和小腿托，还包括保护外壳和下壳，所述保护外壳上部设置有大腿托，所述保护外壳内部设置有第一齿轮，所述下壳上方设置有第二齿轮，所述第一齿轮和所述第二齿轮共轴，所述第二齿轮与齿条啮合在一起，所述齿条与所述下壳滑动副连接，所述齿条上固定安装有储能弹簧，所述储能弹簧通过钢丝绳与所述脚蹬连接在一起；所述第一齿轮与第三齿轮啮合，所述第三齿轮与中空连杆一体式设置，所述中空连杆的一端通过第三短销轴铰接在所述保护外壳上，另外一端通过长销轴与所述小腿托铰接副连接；所述中空连杆的中部设置有交叉杆，所述交叉杆一端通过第二短销轴与所述保护外壳铰接，另外一端通过第一短销轴与所述小腿托铰接。
上述方案中，所述第一齿轮为大直径圆柱齿轮，所述第二齿轮为小直径圆柱齿轮。
上述方案中，所述第一齿轮和所述第二齿轮之间通过齿轮轴连接。
上述方案中，所述下壳的上方设置有上壳，所述第二齿轮、所述齿条均位于所述下壳和所述上壳构成的空间里。
上述方案中，所述第一短销轴和所述长销轴的轴心线之间的距离保持不变。
本发明的有益效果：（1）利用纯机械式“齿轮-齿条-连杆”传动机构，完全由康复者自身提供动力源，驱动整个机构运转进而带动小腿托弯曲，复位时，借助储能弹簧受压缩时储备势能的释放，推动齿条反方向滑动，进而实现小腿托复位。（2）该装置结构小巧，携带便利，操作简单，根据不同需求可在壳体上加联接件装配在床、轮椅等合适的位置，适用于多种场合。若脚托大小不适，可加装松紧绑带，固定腿部。（3）该装置可实现一只脚的腿部力量锻炼和另一只脚的膝关节康复训练，并可通过拆装从脚蹬到上下壳及其内部零件并换到壳体另一侧或直接左右两侧都安装上述组件来实现双腿膝关节的康复锻炼。（4）该发明可适用于病人和下肢残障人士术后在床上进行膝关节康复或老年人在轮椅上进行膝关节锻炼等场合，具有广大的市场前景。
附图说明
图1为发明实施例装置的初始位置的结构示意图。
图2为发明实施例装置的最大弯曲位置的结构示意图。
图中：1、脚蹬；2、钢丝绳；3、储能弹簧；4、齿条、5、第二齿轮；6、齿轮轴；7、第一齿轮；8、中空连杆；9、交叉杆；10、小腿托；11，第一短销轴、12、长销轴、13、第二短销轴、14、第三短销轴；15、保护外壳、16、上壳；17、下壳、18、第三齿轮。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行更详细的说明。
本实施例的技术方案如图1和图2所示，一种纯机械驱动的便携式膝关节康复锻炼装置，包括脚蹬1和小腿托10、保护外壳15和下壳17，所述保护外壳15上部设置有大腿托，所述保护外壳15内部设置有第一齿轮7，所述下壳17上方设置有第二齿轮5，所述第一齿轮7和所述第二齿轮5共轴，所述第二齿轮5与齿条4啮合在一起，所述齿条4与所述下壳17滑动副连接，所述齿条4上固定安装有储能弹簧3，所述储能弹簧3通过钢丝绳2与所述脚蹬1连接在一起；所述第一齿轮7与第三齿轮18啮合，所述第三齿轮18与中空连杆8一体式设置，所述中空连杆8的一端通过第三短销轴14铰接在所述保护外壳15上，另外一端通过长销轴12与所述小腿托10铰接副连接；所述中空连杆8的中部设置有交叉杆9，所述交叉杆9一端通过第二短销轴13与所述保护外壳15铰接，另外一端通过第一短销轴11与所述小腿托10铰接。
优选的，所述第一齿轮7为大直径圆柱齿轮，所述第二齿轮5为小直径圆柱齿轮。所述第一齿轮7和所述第二齿轮5之间通过齿轮轴6连接。所述下壳17的上方设置有上壳16，所述第二齿轮5、所述齿条4均位于所述下壳17和所述上壳16构成的空间里。所述第一短销轴11和所述长销轴12的轴心线之间的距离保持不变。
使用者可坐在任意座位上，大腿一部分放在保护外壳15的大腿托上，当用其中一只脚踩在脚蹬1上时，会带动钢丝绳2牵引齿条4在下壳17的槽内自左向右作直线滑动，进而带动与之啮合的第二齿轮5逆时针转动，由于第一齿轮7与第二齿轮5固结在齿轮轴6上，所以第一齿轮7也随之逆时针转动。通过第一齿轮7与中空连杆8上固结的第三齿轮18的啮合传动，故带动中空连杆8绕固定在保护外壳15中的第三短销轴14顺时针转动。由平面四连杆机构的运动原理可知，交叉杆9将绕同样固定在保护外壳15中的第二短销轴13作顺时针转动，而第一短销轴11、长销轴12使小腿托与交叉杆9和中空连杆8另一端相连，没有固定，可随两杆转动而运动，但两销轴的轴心线相对距离不变，故假设销轴第一短销轴11、长销轴12之间连接有连杆，则此连杆将绕速度瞬心顺时针转动，此时小腿托具有此连杆的运动特点，即表现为向下弯曲。根据齿条4在储能弹簧3约束下所滑动的距离区间，可推得小腿托的弯曲区间，其中，最大弯曲位置如图2所示。储能弹簧3被压缩后将储备势能，当单脚缓慢回抬，势能渐渐释放，使得小腿托向上复位。

Claims (5)

1.一种纯机械驱动的便携式膝关节康复锻炼装置，包括脚蹬(1)和小腿托(10)，其特征在于，还包括保护外壳(15)和下壳(17)，所述保护外壳(15)上部设置有大腿托，所述保护外壳(15)内部设置有第一齿轮(7)，所述下壳(17)上方设置有第二齿轮(5)，所述第一齿轮(7)和所述第二齿轮(5)共轴，所述第二齿轮(5)与齿条(4)啮合在一起，所述齿条(4)与所述下壳(17)滑动副连接，所述齿条(4)上固定安装有储能弹簧(3)，所述储能弹簧(3)通过钢丝绳(2)与所述脚蹬(1)连接在一起；所述第一齿轮(7)与第三齿轮(18)啮合，所述第三齿轮(18)与中空连杆(8)一体式设置，所述中空连杆(8)的一端通过第三短销轴(14)铰接在所述保护外壳(15)上，另外一端通过长销轴(12)与所述小腿托(10)铰接副连接；所述中空连杆(8)的中部设置有交叉杆(9)，所述交叉杆(9)一端通过第二短销轴(13)与所述保护外壳(15)铰接，另外一端通过第一短销轴(11)与所述小腿托(10)铰接。
2.根据权利要求1所述的一种纯机械驱动的便携式膝关节康复锻炼装置，其特征在于，所述第一齿轮(7)为大直径圆柱齿轮，所述第二齿轮(5)为小直径圆柱齿轮。
3.根据权利要求1所述的一种纯机械驱动的便携式膝关节康复锻炼装置，其特征在于，所述第一齿轮(7)和所述第二齿轮(5)之间通过齿轮轴(6)连接。
4.根据权利要求1所述的一种纯机械驱动的便携式膝关节康复锻炼装置，其特征在于，所述下壳(17)的上方设置有上壳(16)，所述第二齿轮(5)、所述齿条(4)均位于所述下壳(17)和所述上壳(16)构成的空间里。
5.根据权利要求1所述的一种纯机械驱动的便携式膝关节康复锻炼装置，其特征在于，所述第一短销轴(11)和所述长销轴(12)的轴心线之间的距离保持不变。
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