CN115137365A - 一种肘关节力矩测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种肘关节力矩测量装置，包括小臂连接板、垂直拉动部件、动作执行部件、肘部支撑部件、三维姿态调节部件、底座。所述小臂连接板与所述垂直拉动部件铰接相连，所述垂直拉动部件与所述动作执行部件滑动相连，所述动作执行部件与所述肘部支撑部件铰接相连，所述三维姿态调节部件分别与所述底座和所述肘部支撑部件固定连接。本发明能够便捷测量肘关节力矩，具有自适应肘关节旋转中心的特点，测量过程舒适、安全、方便，且满足不同臂长用户的测量需要。

Description

一种肘关节力矩测量装置
技术领域
本发明涉及智能化医疗康复装置技术领域，具体涉及一种肘关节力矩测量装置。
背景技术
肘关节运动功能障碍是中风、帕金森患者的典型症状，主要表现为肌肉张力异常，为了客观量化肘关节的运动功能，需要对其的力矩进行评估。目前在临床环境中，多依靠手动牵伸肢体感知关节运动产生的力矩，并依靠一些医学量表进行打分，比如改良的Ashworth量表（MAS）、Fugl-Meyer量表等，但是这些方式往往是主观的，过分依赖医师的经验水平，医师之间和医师内部的信度也不一致，结果往往并不准确。
客观定量评估就需要使用机械化评估器械，传统的评估器械是具有扭矩测量功能的单自由度旋转运动的机械化器械，使用时需要将肘关节与器械旋转中心手动对准。但是人体肘关节在解剖学上可以近似看成具有一个旋转自由度的铰链结构，为了使传统的评估器械正常工作，需要将评估器械的旋转轴与人体肘关节的旋转轴紧密对齐，这样才能减少因评估过程中器械与肢体之间的错位、牵扯导致的扭矩测量精度、安全性降低的风险，但是即使耗费大量时间，对齐结果也并不理想。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种肘关节力矩测量装置，以解决现有肘关节力矩评估器械测量时肘关节旋转中心与设备旋转中心对齐困难，以及测量前的准备时间长，设备佩戴舒适性差、肌力测量准确性低、测量过程安全性低的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种肘关节力矩测量装置，包括小臂连接板、垂直拉动部件、动作执行部件、肘部支撑部件、三维姿态调节部件、底座，所述小臂连接板与所述垂直拉动部件铰接相连，所述垂直拉动部件与所述动作执行部件滑动相连，所述动作执行部件与所述肘部支撑部件铰接相连，所述三维姿态调节部件分别与所述底座和所述肘部支撑部件固定连接；
所述垂直拉动部件包括与小臂连接板铰接相连的第一连接板、与小臂连接板铰接轴同轴安装的第一编码器、两端分别与第一连接板及第二连接板固定连接的力传感器、与第二连接板铰接连接的滑块连接板、与所述滑块连接板固定连接的滑块、与滑块连接板铰接轴同轴安装的第二编码器；
所述动作执行部件包括固定连接在摇杆上并与所述滑块滑动配合连接的导轨、与摇杆固定连接的小带轮支撑轴，与小带轮支撑轴同轴配合的小带轮、与摇杆固定连接的大带轮、与摇杆同轴配合的第一惰轮及第二惰轮、与所述小带轮及所述第一惰轮传动连接的传送带；
所述肘部支撑部件包括第一支撑板和第二支撑板、与所述第一支撑板和所述第二支撑板固定连接的定位板、与所述第一支撑板和所述第二支撑板固定连接的支撑箱体、与所述支撑箱体固定连接的肘部支撑板、与所述第一支撑板固定连接的第一驱动电机、与所述第二支撑板固定连接的第二驱动电机、与所述第一驱动电机固定连接的第一驱动轮、与所述第二驱动电机固定连接的第二驱动轮、与所述第一驱动轮及所述大带轮传动连接的第一传动带、与所述第二驱动轮及所述第一惰轮传动连接的第二传动带；
所述三维姿态调节部件包括一级固定板、与所述一级固定板固定连接的一级转轴、与所述一级转轴同轴配合的一级活动套、与所述一级活动套同轴配合的一级卡箍、与所述一级活动套固定连接的二级固定板、与所述二级固定板固定连接的二级转轴、与所述二级转轴同轴配合的二级活动套、与所述二级活动套同轴配合的二级卡箍、与所述二级活动套固定连接的旋转固定轴、与所述旋转固定轴同轴配合的旋转固定套、与所述旋转固定套同轴配合的旋转卡箍。
进一步的，所述小臂连接板上固定连接有柔性绑带。
进一步的，所述滑块与所述传送带固定连接，所述滑块连接板与所述滑块固定连接，所述第一惰轮与所述第二惰轮固定连接。
进一步的，所述第一支撑板和所述第二支撑板与所述摇杆同轴铰接连接。
进一步的，所述一级固定板与所述定位板固定连接。
进一步的，所述旋转固定轴固定连接在底盘上。
进一步的，所述滑块可在所述滑轨上自由滑动。
进一步的，所述第一编码器用于测量所述小臂连接板与所述第一连接板的角度，所述第二编码器用于测量所述第二连接板与所述滑块连接板的角度，所述第一驱动电机用于测量所述滑块在所述摇杆上的位移，所述第二驱动电机用于测量所述摇杆的旋转角度。
进一步的，所述垂直拉动部件能够通过第一驱动电机的实时闭环控制，保持与所述小臂连接板的垂直。
本发明具有以下有益效果：
1. 本发明通过获取第一编码器、第二编码器、第一驱动电机、第二驱动电机的角度数值，能计算得到肘关节旋转中心及其与牵拉点的距离值，结合力传感器测得的拉力数值，进一步可计算得到肘关节力矩。本发明特殊的结构保证了肘关节旋转中心与牵拉点距离的自适应测量，并不依赖于肘关节与设备的限定位置要求，从而避免了传统评估器械测量时肘关节旋转中心与设备旋转中心对齐的严苛要求。
2. 本发明能够便捷测量肘关节力矩，具有自适应肘关节旋转中心的特点，测量过程舒适、安全、方便，且满足不同臂长用户的测量需要。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的另一结构示意图；
图3为本发明的工作状态示意图。
其中：第一驱动电机1，第一支撑板2，传送带3，滑轨4，摇杆5，滑块连接板6，滑块7，小带轮8，小带轮支撑轴9，第二编码器10，第二连接板11，力传感器12，第一连接板13，小臂连接板14，柔性绑带15，第一编码器16，肘部支撑板17，支撑箱体18，底盘19；
旋转固定轴21，二级固定板22，二级转轴23，一级活动套24，定位板25，第二驱动电机26，第一传动带27，第二支撑板28，支撑轴29，大带轮30，第一惰轮31，第二惰轮32，第二传动带33，第一驱动轮34，第二驱动轮35，一级固定板36，一级转轴37，一级卡箍38，二级活动套39，二级卡箍40，旋转卡箍41，旋转固定套42。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。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。
请参阅图1-2，本发明实施例中的一种肘关节力矩测量装置，包括小臂连接板、垂直拉动部件、动作执行部件、肘部支撑部件、三维姿态调节部件、底座。
具体地说，所述垂直拉动部件包括与小臂连接板14铰接相连的第一连接板13、与小臂连接板14铰接轴同轴安装的第一编码器16、两端分别与第一连接板13及第二连接板11固定连接的力传感器12、与第二连接板11铰接连接的滑块连接板6、与所述滑块连接板6固定连接的滑块7、与滑块连接板6的铰接轴同轴安装的第二编码器10；
进一步的，所述动作执行部件包括固定连接在摇杆5上并与所述滑块7滑动配合连接的滑轨4、与摇杆5固定连接的小带轮支撑轴9，与小带轮支撑轴9同轴配合的小带轮8、与摇杆固定连接的大带轮30、与摇杆同轴配合的第一惰轮31及第二惰轮32、与所述小带轮8及所述第一惰轮31传动连接的传送带3；
进一步的，所述肘部支撑部件包括第一支撑板2和第二支撑板28、与所述第一支撑板2和所述第二支撑板28固定连接的定位板25、与所述第一支撑板2和所述第二支撑板28固定连接的支撑箱体18、与所述支撑箱体18固定连接的肘部支撑板17、与所述第一支撑板2固定连接的第一驱动电机1、与所述第二支撑板28固定连接的第二驱动电机26、与所述第一驱动电机1固定连接的第一驱动轮34、与所述第二驱动电机26固定连接的第二驱动轮35、与所述第二驱动轮35及所述大带轮30传动连接的第一传动带27、与所述第一驱动轮34及所述第二惰轮32传动连接的第二传动带33；
进一步的，所述三维姿态调节部件包括一级固定板36、与所述一级固定板36固定连接的一级转轴37、与所述一级转轴37同轴配合的一级活动套24、与所述一级活动套24同轴配合的一级卡箍38、与所述一级活动套24固定连接的二级固定板22、与所述二级固定板22固定连接的二级转轴23、与所述二级转轴23同轴配合的二级活动套39、与所述二级活动套39同轴配合的二级卡箍40、与所述二级活动套39固定连接的旋转固定轴21、与所述旋转固定轴21同轴配合的旋转固定套42、与所述旋转固定套42同轴配合的旋转卡箍41；
进一步的，所述小臂连接板14上固定连接有柔性绑带15。
进一步的，所述滑块7与所述传送带3固定连接，所述滑块连接板6与所述滑块7固定连接，所述第一惰轮31与所述第二惰轮32固定连接。
进一步的，所述第二支撑板28、所述大带轮30、所述摇杆5、所述第一惰轮31、所述第二惰轮32以及所述第一支撑板2依次与支撑轴29同轴同轴配合。
进一步的，所述一级固定板36与所述定位板25固定连接。
进一步的，所述旋转固定套42固定连接在底盘19上。
进一步的，所述滑块7可在所述滑轨4上自由滑动。
由上述实施例可以看出，垂直拉动部件可以在摇杆5上自由滑动，由第一驱动电机1通过传送带控制滑动位置，动作执行部件可以在肘部支撑部件上自由转动，由第二驱动电机26通过传送带控制动作执行部件的转动角度，三维姿态调节部件可以实现肘部支撑部件的三维姿态调节，具体地说，分别松开一级卡箍38、二级卡箍40、旋转卡箍41，调整肘部支撑部件的空间姿态至合适位置，然后再分别拉紧一级卡箍38、二级卡箍40、旋转卡箍41，一级活动套24、二级活动套39、旋转固定套42即会通过摩擦力分别抱紧在一级转轴37、二级转轴23、旋转固定轴21上。
请参阅图3所示本发明的工作状态示意图，本发明的工作过程为：
所述一种肘关节力矩测量装置固定放置于任何高度可调节的平台上，用户端坐在座椅上，右侧上臂放置于所述肘部支撑板17上，肘关节尽量前伸，调整所述滑块连接板6在所述摇杆5上的位置，使所述小臂连接板14与用户小臂手腕紧密贴合，所述柔性绑带15与用户小臂手腕固定连接，调整肘部支撑部件的空间姿态至合适位置，使用户右臂处于放松状态。
测量时，所述第二驱动电机26转动带动所述摇杆5转动，所述第一驱动电机1通过检测所述第一编码器16的角度反馈值，通过传送带3与第二传动带33闭环控制滑块7在摇杆上滑动，保证所述垂直拉动部件与所述小臂连接板14始终垂直，如此，在所述摇杆5的转动过程中，所述垂直拉动部件与用户手臂始终垂直，所述力传感器12采集此过程中用户手臂的力量F，对于所述摇杆5、所述垂直拉动部件与用户上臂构成的平面四边形，使用高斯牛顿迭代法通过对多组第一编码器16角度数据、第二编码器10角度数据、所述第一驱动电机1角度数据、所述第二驱动电机26角度数据的综合拟合计算，可间接得到所述小臂连接板14与用户肘关节旋转中心的距离L，力量F与距离L的乘积即为用户肘关节的力矩M。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种肘关节力矩测量装置，包括小臂连接板、垂直拉动部件、动作执行部件、肘部支撑部件、三维姿态调节部件、底座，其特征在于：
所述小臂连接板与所述垂直拉动部件铰接相连，所述垂直拉动部件与所述动作执行部件滑动相连，所述动作执行部件与所述肘部支撑部件铰接相连，所述三维姿态调节部件分别与所述底座和所述肘部支撑部件固定连接；
所述垂直拉动部件包括与小臂连接板铰接相连的第一连接板、与小臂连接板铰接轴同轴安装的第一编码器、两端分别与第一连接板及第二连接板固定连接的力传感器、与第二连接板铰接连接的滑块连接板、与所述滑块连接板固定连接的滑块、与滑块连接板铰接轴同轴安装的第二编码器；
所述动作执行部件包括固定连接在摇杆上并与所述滑块滑动配合连接的导轨、与摇杆固定连接的小带轮支撑轴，与小带轮支撑轴同轴配合的小带轮、与摇杆固定连接的大带轮、与摇杆同轴配合的第一惰轮及第二惰轮、与所述小带轮及所述第一惰轮传动连接的传送带；
所述肘部支撑部件包括第一支撑板和第二支撑板、与所述第一支撑板和所述第二支撑板固定连接的定位板、与所述第一支撑板和所述第二支撑板固定连接的支撑箱体、与所述支撑箱体固定连接的肘部支撑板、与所述第一支撑板固定连接的第一驱动电机、与所述第二支撑板固定连接的第二驱动电机、与所述第一驱动电机固定连接的第一驱动轮、与所述第二驱动电机固定连接的第二驱动轮、与所述第一驱动轮及所述大带轮传动连接的第一传动带、与所述第二驱动轮及所述第一惰轮传动连接的第二传动带；
所述三维姿态调节部件包括一级固定板、与所述一级固定板固定连接的一级转轴、与所述一级转轴同轴配合的一级活动套、与所述一级活动套同轴配合的一级卡箍、与所述一级活动套固定连接的二级固定板、与所述二级固定板固定连接的二级转轴、与所述二级转轴同轴配合的二级活动套、与所述二级活动套同轴配合的二级卡箍、与所述二级活动套固定连接的旋转固定轴、与所述旋转固定轴同轴配合的旋转固定套、与所述旋转固定套同轴配合的旋转卡箍。
2.根据权利要求1所述的一种肘关节力矩测量装置，其特征在于：所述小臂连接板上固定连接有柔性绑带。
3.根据权利要求1所述的一种肘关节力矩测量装置，其特征在于：所述滑块与所述传送带固定连接，所述滑块连接板与所述滑块固定连接，所述第一惰轮与所述第二惰轮固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种肘关节力矩测量装置，其特征在于：所述第一支撑板和所述第二支撑板与所述摇杆同轴铰接连接。
5.根据权利要求1所述的一种肘关节力矩测量装置，其特征在于：所述一级固定板与所述定位板固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种肘关节力矩测量装置，其特征在于：所述旋转固定轴固定连接在底盘上。
7.根据权利要求1所述的一种肘关节力矩测量装置，其特征在于：所述滑块可在所述滑轨上自由滑动。
8.根据权利要求1所述的一种肘关节力矩测量装置，其特征在于：所述第一编码器用于测量所述小臂连接板与所述第一连接板的角度，所述第二编码器用于测量所述第二连接板与所述滑块连接板的角度，所述第一驱动电机用于测量所述滑块在所述摇杆上的位移，所述第二驱动电机用于测量所述摇杆的旋转角度。
9.根据权利要求1所述的一种肘关节力矩测量装置，其特征在于：所述垂直拉动部件能够通过第一驱动电机的实时闭环控制，保持与所述小臂连接板的垂直。
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