CN114305970A - 一种人体脊柱智能康复训练设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体脊柱智能康复训练设备，包括3‑RPR机构，该3‑RPR机构采用并联机构形式，该并联机构可以实现冠状面的三个方向自由度运动：上下伸展运动、左右侧移运动和侧倾偏转运动，且该3‑RPR机构可独立穿戴于人体上，这样患者可以在站姿或其他姿势下进行康复训练。同时，该3‑RPR机构又可以与屈伸机构和动平台相结合，该屈伸机构采用串联机构形式，该串联机构则可以实现矢状面的前屈、后仰运动，这样患者也可以在坐姿下进行康复训练。本发明提供了一种占用空间小，机构简单，穿戴方便，可以提供推拉、屈伸及扭转等多个方向运动的穿戴式和平台式两用的人体脊柱智能康复训练设备。

Description

一种人体脊柱智能康复训练设备

技术领域

本发明涉及一种康复训练设备，尤其是关于一种穿戴式和平台式两用的人体脊柱智能康复训练设备，属于医疗器械技术领域。

背景技术

脊柱侧弯是一种常见的骨骼问题，会严重影响病患的生活质量。目前，常规的矫形方法是通过矫形器强制矫形或通过牵引拉伸等手法来缓解，严重的甚至需要手术治疗。上述矫形方法虽然有一定的康复效果，但会给病患带来一定痛苦和副作用，并且医生也需要消耗极大的体力。

目前，由于现有脊柱康复机构系统较少，市场上常见的脊柱康复机构本身仅能提供单方向牵引或者按摩震动等功能，缺乏对于脊柱的扭转方向的辅助功能，而且该脊柱康复机构的动力结构复杂，结构本身比较笨重。

综上所述，亟需一种用于脊柱康复的智能康复训练设备。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种占用空间小，机构简单，穿戴方便，可以提供推拉、屈伸及扭转等多个方向运动的穿戴式和平台式两用的人体脊柱智能康复训练设备。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供的一种穿戴式的人体脊柱智能康复训练设备，包括3-RPR机构，所述3-RPR机构包括：上支架和下支架，二者平行间隔布置；线性驱动器，三个所述线性驱动器平行布置在所述上支架和下支架之间，且三个所述线性驱动器的动作端均与所述上支架相铰接，三个所述线性驱动器的固定端均与所述下支架相铰接；上环带和下环带，分别与所述上支架和下支架紧固连接，所述上环带用于与人体胸部环抱连接，所述下环带用于与人体髋腰部环抱连接；由此，当控制某一或多个所述线性驱动器伸长或者缩短时，三个所述线性驱动器共同配合动作完成所述上环带在冠状面的三个方向自由度运动：上下伸展运动、左右侧移运动以及侧倾偏转运动。

第二方面，本发明提供的一种平台式的包括3-RPR机构、屈伸机构和动平台；其中，所述3-RPR机构包括：上支架和下支架，二者平行间隔布置；线性驱动器，三个所述线性驱动器平行布置在所述上支架和下支架之间，且三个所述线性驱动器的动作端均与所述上支架相铰接，三个所述线性驱动器的固定端均与所述下支架相铰接；上环带，与所述上支架紧固连接，所述上环带用于与人体胸部环抱连接；所述屈伸机构包括：支撑组件，布置在所述下支架的下方且为对称结构，所述支撑组件的下部与所述动平台紧固连接；3-RPR机构连接件，两个所述3-RPR机构连接件对称布置在所述下支架的两侧，且两个所述3-RPR机构连接件的一端均与所述下支架的两端部紧固连接，两个所述3-RPR机构连接件的另一端通过转轴分别与所述支撑组件的两顶端相铰接；屈伸平行双杆组件，两组所述屈伸平行双杆组件亦对称布置在所述下支架的两侧，且两组所述屈伸平行双杆组件的一端分别与两个所述3-RPR机构连接件的转轴紧固连接；电机，所述电机的输出端通过第一输出法兰与其中一组所述屈伸平行双杆组件的另一端传动连接；由此，当控制某一或多个所述线性驱动器伸长或者缩短时，三个所述线性驱动器配合动作完成所述上环带在冠状面的三个方向自由度运动：上下伸展运动、左右侧移运动以及侧倾偏转运动；当控制所述电机正转或反转时，所述屈伸平行双杆组件带动所述3-RPR机构连接件做旋转运动，进而带动所述3-RPR机构在矢状面的前屈、后仰运动。

所述的人体脊柱智能康复训练设备，优选地，所述上环带通过转接板和多轴力传感器与所述上支架紧固连接，所述多轴力传感器用于实时测量反馈各个方向与人体躯干的交互力。

所述的人体脊柱智能康复训练设备，优选地，三个所述线性驱动器在所述上支架和下支架所在平面内呈三角分布。

所述的人体脊柱智能康复训练设备，优选地，所述屈伸机构还包括通轴和第二输出法兰，所述通轴为中空管状结构，所述通轴布置在所述电机的外部，且所述通轴的一端与所述第一输出法兰的圆周面紧固连接，所述通轴的另一端穿过所述电机后与所述第二输出法兰的圆周面紧固连接，所述第二输出法兰与另一组所述屈伸平行双杆组件的另一端传动连接。

所述的人体脊柱智能康复训练设备，优选地，所述动平台包括：顶板和底板，二者平行间隔布置，且所述顶板上安装有坐垫，所述底板连接在所述支撑组件的下部；丝杠组件，安装在所述底板上，且所述丝杠组件具有可往复直线移动的动作端；升降平行四杆组件，布置在所述顶板和底板之间，所述升降平行四杆组件中的一对杆件上端与所述顶板形成滑动副，该对杆件下端与所述底板形成铰接副；所述升降平行四杆组件中的另一对杆件上端与所述顶板形成铰接副，该对杆件下端与所述底板形成滑动副，且该对杆件下端与所述丝杠组件的动作端紧固连接。

所述的人体脊柱智能康复训练设备，优选地，所述丝杠组件包括：铰接座，两所述铰接座间隔安装在所述底板上，且所述铰接座上开设有纵向滑槽；横向滑杆，穿设在两所述铰接座的纵向滑槽中，且所述横向滑杆的两端分别与所述升降平行四杆组件中的另一对杆件下端紧固连接；丝杠，沿纵向可转动地安装在两所述铰接座之间的所述底板上；螺母，转动连接在所述丝杠上以形成丝杠组件的动作端，且所述螺母与所述横向滑杆紧固连接。

所述的人体脊柱智能康复训练设备，优选地，所述丝杠采用具有自锁功能的梯形丝杠。

所述的人体脊柱智能康复训练设备，优选地，在两组所述屈伸平行双杆组件的外侧均安装有外壳。

所述的人体脊柱智能康复训练设备，优选地，所述上环带和/或下环带为前面开口的柔性环带，所述柔性环带的两端分别有固定的锁紧带，用于所述拉紧柔性环带并固定。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明提供的康复设备采用多个动力推杆，动力推杆的固定端与下支架铰接，动力推杆的动作端通过上支架上的环带与人体胸部环抱连接，下支架同样带有环带与人体髋腰部环抱连接，由此组成多杆并联的3-RPR机构，上支架连接有多轴力传感器，用以智能控制使得该康复设备可以主动运动，进而可以根据治疗或者康复需要，实现整体结构在空间三维方向的推拉和/或弯曲动作，产生特定方向的运动或者支撑力，从而辅助脊柱康复。

2、本发明提供的康复设备中的3-RPR机构既可以独立穿戴于人体上，这样患者可以在站姿或其他姿势下进行康复训练，又可以与屈伸机构和动平台相结合，这样患者也可以在坐姿下进行康复训练，从而实现穿戴式和平台式两用。

3、本发明提供的康复设备基于模块化设计，整体设备可以方便的安装到轮椅、治疗椅或者治疗床上，应用场景广泛。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的人体脊柱智能康复训练设备的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的人体脊柱智能康复训练设备的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的屈伸机构的结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的屈伸机构的局部剖视图；

图5是本发明实施例二提供的动平台的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“纵向”、“横向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供的人体脊柱智能康复训练设备，其3-RPR机构(R为转动副，P为移动副)采用并联机构形式，该并联机构可以实现冠状面的三个方向自由度运动：上下伸展运动、左右侧移运动和侧倾偏转运动，且该3-RPR机构可独立穿戴于人体上，这样患者可以在站姿或其他姿势下进行康复训练。同时，该3-RPR机构又可以与屈伸机构和动平台相结合，该屈伸机构采用串联机构形式，该串联机构则可以实现矢状面的前屈、后仰运动，这样患者也可以在坐姿下进行康复训练，从而实现穿戴式和平台式两用。

下面，结合附图对本发明实施例提供的人体脊柱智能康复训练设备进行详细的说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供了一种穿戴式的人体脊柱智能康复训练设备，包括3-RPR机构1，该3-RPR机构1包括上支架101、多轴力传感器102、上环带103、上铰接座104、动力推杆105、下铰接座106、下支架107和下环带108。三个动力推杆105平行布置在下支架107上方，且三个动力推杆105的固定端通过三个下铰接座106分别与下支架107铰接；上支架101平行布置在下支架107上方，且三个动力推杆105的动作端通过三个上铰接座104分别与上支架101铰接；上环带103通过转接板和多轴力传感器102与上支架101紧固连接，上环带101用于与人体胸部环抱连接；下环带108与下支架107固定连接，下环带108用于与人体髋腰部环抱连接。由此，当控制特定动力推杆105伸长或者缩短时，三个动力推杆105共同配合动作可以实现上环带101在冠状面的三个方向自由度运动：上下伸展运动(如脊柱牵引拉伸)、左右侧移运动(如脊柱左右侧弯)以及侧倾偏转运动(如脊柱翻转)，从而用于人体脊柱康复训练。

上述实施例中，优选地，三个动力推杆105在上支架101和下支架107所在平面内呈三角分布，由此可以提高在偏载力的状况下动力推杆105的侧向承载能力。

上述实施例中，优选地，上环带101和下环带108为前面开口的柔性环带，柔性环带的两端分别有固定的锁紧带，用于拉紧柔性环带并固定。

上述实施例中，优选地，动力推杆105可以更换为其他的线性驱动器，比如液压推杆或钢丝驱动器等。

实施例二：

如图2所示，本实施例提供了一种平台式的人体脊柱智能康复训练设备，包括3-RPR机构1、屈伸机构2和动平台3。其中，3-RPR机构1的具体结构与实施例一基本相同，区别仅在于取消了下环带108。

如图3、图4所示，屈伸机构2包括支撑组件201、3-RPR机构连接件202、屈伸平行双杆组件203、通轴204、减速电机205、力矩传感器206、第一输出法兰207和第二输出法兰208。其中，支撑组件201布置在下支架107的下方且为对称结构，支撑组件201的下部与动平台3紧固连接。两个3-RPR机构连接件202对称布置在下支架107的两侧，且两个3-RPR机构连接件202的一端均与下支架107的两端部紧固连接，两个3-RPR机构连接件202的另一端通过转轴分别与支撑组件201的两顶端铰接。两组屈伸平行双杆组件203亦对称布置在下支架107的两侧，且两组屈伸平行双杆组件203的一端分别与两个3-RPR机构连接件202的转轴紧固连接。减速电机205的输出端通过力矩传感器206与第一输出法兰207紧固连接，第一输出法兰207的端面与其中一组屈伸平行双杆组件203的另一端传动连接；通轴204为中空管状结构，通轴204布置在减速电机205的外部，且通轴204的一端与第一输出法兰207的圆周面紧固连接，通轴204的另一端穿过减速电机205后与第二输出法兰208的圆周面紧固连接，第二输出法兰208的端面与另一组屈伸平行双杆组件203的另一端传动连接。由此，当减速电机205旋转时，进而带动与之串联的第一输出法兰207、通轴204和第二输出法兰208同步旋转，第一输出法兰207和第二输出法兰208分别带动两组屈伸平行双杆组件203旋转，两组屈伸平行双杆组件203又分别带动3-RPR机构连接件202做旋转运动，这样就实现了3-RPR机构连接件202的同时受力屈伸，进而带动3-RPR机构1在矢状面的前屈、后仰运动(如腰部前驱后伸)。此外，通轴204的设计可以有效防止左右两侧输出力不均衡而偏载，进而影响对设备的控制。

上实施例中，优选地，如图5所示，动平台3包括坐垫301、顶板302、丝杠组件303、升降平行四杆组件304和底板305。其中，坐垫301安装在顶板302上，丝杠组件303安装在底板305上，且丝杠组件303具有可往复直线移动的动作端。升降平行四杆组件304布置在顶板302和底板305之间，升降平行四杆组件304中的一对杆件上端与顶板302形成滑动副，该对杆件下端与底板305形成铰接副。升降平行四杆组件304中的另一对杆件上端与顶板302形成铰接副，该对杆件下端与底板305形成滑动副，且该对杆件下端与丝杠组件303的动作端紧固连接。由此，当驱动丝杠组件303的动作端往复直线移动时，即可带动升降平行四杆组件304展开或收拢，从而实现坐垫301的升降，目的是为了适应人体身高的差异而设计，尽可能的使屈伸机构2的旋转中心与人体的转动中心对齐。

上实施例中，优选地，丝杠组件303包括铰接座、横向滑杆、丝杠和螺母，两铰接座间隔安装在底板305上，且铰接座上开设有纵向滑槽。横向滑杆穿设在两铰接座的纵向滑槽中，且横向滑杆的两端分别与升降平行四杆组件304中的另一对杆件下端紧固连接。丝杠沿纵向可转动地安装在两铰接座之间的底板305上，螺母转动连接在丝杠上以形成丝杠组件303的动作端，且螺母与横向滑杆紧固连接。由此，当顺时针或逆时针旋转丝杠时，即可带动螺母沿纵向往复直线移动，进而带动横向滑杆沿纵向往复直线滑移，从而带动顶板302做上下移动，实现坐垫301的升降。

上述实施例中，优选地，丝杠采用具有自锁功能的梯形丝杠，以保证动平台3的稳固牢靠。

上述实施例中，优选地，动平台3也可以安装到治疗椅、治疗床或者其他定制的座椅或者床上。

上述实施例中，优选地，在两组屈伸平行双杆组件203的外侧均安装有外壳209，以防止使用者手部不慎伸入屈伸平行双杆组件203发生挤伤事故。

本发明提供的人体脊柱智能康复训练设备在使用时，动力推杆105上的位置编码器可实时测量、反馈动力推杆105长度，并依据反馈的动力推杆105长度和3-RPR机构1的正运动学模型计算3-RPR机构1的末端位姿，矢状面位姿由屈伸机构2的电机编码器直接测量。除此之外，多轴力传感器102实时测量反馈各个方向与人体躯干的交互力，位置编码器和多轴力传感器102将测量数据实时反馈给外部控制系统。外部控制系统依据设定位姿，根据逆运动学模型计算出各动力推杆105的杆长位姿量，并利用位置编码器测得的反馈量实现PID反馈控制，进而控制特定动力推杆105伸长或者缩短，最终实现动平台3精确的位置控制和速度控制，从而达到智能控制的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种人体脊柱智能康复训练设备，其特征在于，包括3-RPR机构(1)，所述3-RPR机构(1)包括：

上支架(101)和下支架(107)，二者平行间隔布置；

线性驱动器(105)，三个所述线性驱动器(105)平行布置在所述上支架(101)和下支架(107)之间，且三个所述线性驱动器(105)的动作端均与所述上支架(101)相铰接，三个所述线性驱动器(105)的固定端均与所述下支架(107)相铰接；

上环带(103)和下环带(108)，分别与所述上支架(101)和下支架(107)紧固连接，所述上环带(103)用于与人体胸部环抱连接，所述下环带(108)用于与人体髋腰部环抱连接；

由此，当控制某一或多个所述线性驱动器(105)伸长或者缩短时，三个所述线性驱动器(105)共同配合动作完成所述上环带(101)在冠状面的三个方向自由度运动：上下伸展运动、左右侧移运动以及侧倾偏转运动。

2.一种人体脊柱智能康复训练设备，其特征在于，包括3-RPR机构(1)、屈伸机构(2)和动平台(3)；其中，所述3-RPR机构(1)包括：

上支架(101)和下支架(107)，二者平行间隔布置；

线性驱动器(105)，三个所述线性驱动器(105)平行布置在所述上支架(101)和下支架(107)之间，且三个所述线性驱动器(105)的动作端均与所述上支架(101)相铰接，三个所述线性驱动器(105)的固定端均与所述下支架(107)相铰接；

上环带(103)，与所述上支架(101)紧固连接，所述上环带(103)用于与人体胸部环抱连接；

所述屈伸机构(2)包括：

支撑组件(201)，布置在所述下支架(107)的下方且为对称结构，所述支撑组件(201)的下部与所述动平台(3)紧固连接；

3-RPR机构连接件(202)，两个所述3-RPR机构连接件(202)对称布置在所述下支架(107)的两侧，且两个所述3-RPR机构连接件(202)的一端均与所述下支架(107)的两端部紧固连接，两个所述3-RPR机构连接件(202)的另一端通过转轴分别与所述支撑组件(201)的两顶端相铰接；

屈伸平行双杆组件(203)，两组所述屈伸平行双杆组件(203)亦对称布置在所述下支架(107)的两侧，且两组所述屈伸平行双杆组件(203)的一端分别与两个所述3-RPR机构连接件(202)的转轴紧固连接；

电机(205)，所述电机(205)的输出端通过第一输出法兰(207)与其中一组所述屈伸平行双杆组件(203)的另一端传动连接；

由此，当控制某一或多个所述线性驱动器(105)伸长或者缩短时，三个所述线性驱动器(105)配合动作完成所述上环带(101)在冠状面的三个方向自由度运动：上下伸展运动、左右侧移运动以及侧倾偏转运动；

当控制所述电机(205)正转或反转时，所述屈伸平行双杆组件(203)带动所述3-RPR机构连接件(202)做旋转运动，进而带动所述3-RPR机构(1)在矢状面的前屈、后仰运动。

3.根据权利要求1或2所述的人体脊柱智能康复训练设备，其特征在于，所述上环带(103)通过转接板和多轴力传感器(102)与所述上支架(101)紧固连接，所述多轴力传感器(102)用于实时测量反馈各个方向与人体躯干的交互力。

4.根据权利要求1或2所述的人体脊柱智能康复训练设备，其特征在于，三个所述线性驱动器(105)在所述上支架(101)和下支架(107)所在平面内呈三角分布。

5.根据权利要求2所述的人体脊柱智能康复训练设备，其特征在于，所述屈伸机构(2)还包括通轴(204)和第二输出法兰(208)，所述通轴(204)为中空管状结构，所述通轴(204)布置在所述电机(205)的外部，且所述通轴(204)的一端与所述第一输出法兰(207)的圆周面紧固连接，所述通轴(204)的另一端穿过所述电机(205)后与所述第二输出法兰(208)的圆周面紧固连接，所述第二输出法兰(208)与另一组所述屈伸平行双杆组件(203)的另一端传动连接。

6.根据权利要求2所述的人体脊柱智能康复训练设备，其特征在于，所述动平台(3)包括：

顶板(302)和底板(305)，二者平行间隔布置，且所述顶板(302)上安装有坐垫(301)，所述底板(305)连接在所述支撑组件(201)的下部；

丝杠组件(303)，安装在所述底板(305)上，且所述丝杠组件(303)具有可往复直线移动的动作端；

升降平行四杆组件(304)，布置在所述顶板(302)和底板(305)之间，所述升降平行四杆组件(304)中的一对杆件上端与所述顶板(302)形成滑动副，该对杆件下端与所述底板(305)形成铰接副；所述升降平行四杆组件(304)中的另一对杆件上端与所述顶板(302)形成铰接副，该对杆件下端与所述底板(305)形成滑动副，且该对杆件下端与所述丝杠组件(303)的动作端紧固连接。

7.根据权利要求6所述的人体脊柱智能康复训练设备，其特征在于，所述丝杠组件(303)包括：

铰接座，两所述铰接座间隔安装在所述底板(305)上，且所述铰接座上开设有纵向滑槽；

横向滑杆，穿设在两所述铰接座的纵向滑槽中，且所述横向滑杆的两端分别与所述升降平行四杆组件(304)中的另一对杆件下端紧固连接；

丝杠，沿纵向可转动地安装在两所述铰接座之间的所述底板(305)上；

螺母，转动连接在所述丝杠上以形成丝杠组件(303)的动作端，且所述螺母与所述横向滑杆紧固连接。

8.根据权利要求7所述的人体脊柱智能康复训练设备，其特征在于，所述丝杠采用具有自锁功能的梯形丝杠。

9.根据权利要求2所述的人体脊柱智能康复训练设备，其特征在于，在两组所述屈伸平行双杆组件(203)的外侧均安装有外壳(209)。

10.根据权利要求1或2所述的人体脊柱智能康复训练设备，其特征在于，所述上环带(101)和/或下环带(108)为前面开口的柔性环带，所述柔性环带的两端分别有固定的锁紧带，用于所述拉紧柔性环带并固定。

Images