CN1875904A - 具有重心调整功能的部分减重支持装置 - Google Patents
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Abstract
具有重心调整功能的部分减重支持装置，属于生物医学工程领域。本发明包括框架结构、传动系统和控制系统三部分，在下肢运动功能障碍患者康复训练中，可以实现定量的部分减重支持，同时能模拟人体真实运动规律，实现垂直方向和水平方向的重心调整，不仅将理疗师从繁重的重复性工作中解放出来，而且可为患者提供一个仿真的运动再学习训练平台。本发明结构紧凑、调节方便、安全性高、全自动化操作，满足临床要求，可以广泛用于各种下肢运动功能障碍患者的康复训练。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有重心调节功能的部分减重支持装置，属于生物医学工程领域。在下肢运动功能障碍患者康复训练中，可以实现定量的部分减重支持，同时模拟人体真实运动，实现步态训练中垂直方向和水平方向的重心调整，不仅能将理疗师从繁重的重复性工作中解放出来，而且可为患者提供一个仿真的运动再学习训练平台。
背景技术
下肢运动功能障碍是目前临床上常见的运动障碍之一。导致下肢运动功能障碍的原因很多，例如由脊髓损伤和脑卒中、脑外伤、脑瘫、截瘫、帕金森氏病等神经性病变及下肢肌肉、关节损伤等。发病人群数量很高。并且由于下肢承担负重、行走和平衡的功能，上述运动功能障碍限制了患者的行走能力，给社会和家庭造成了严重的负担。实现患者的站立和步行能力是运动功能康复的关键。
对于下肢运动功能障碍患者，最大的康复目标就是实现正常步行。步行是指导致身体重心向前移动的四肢和躯干的规则交错运动。人体步行是双侧下肢交错迈出双足步行。而正常的步行指身体重心在三维坐标系中摆动最小的步行。步行过程中单侧脚跟着地到同侧脚跟再次着地所用的时间定义为一个步态周期，期间该侧下肢经历了踏地负重的“支撑期”和离地摆腿的“摆动期”。步行时，身体重心在矢状面内有规则的上下反复移动。重心轨迹为规则的正弦曲线，其最高点位于支撑中期的正中点，最低点位于双足支撑期内。正常人重心上下移动幅度在25-30mm之间，成年男子最大移动不超过50mm。同时行走中为维持身体平衡，当体重从身体一侧移到另一侧时，骨盆和躯干也随之移动到该承重侧，导致重心在水平面内也呈正弦规律变化，正常人移动幅度在15-20mm之间，成年男子移动幅度约为50mm。并且水平面内重心变化曲线的周期为矢状面内重心曲线的2倍。
下肢在人体运动过程中，主要承担支撑、迈步和平衡三大功能。为了恢复这些功能，目前临床上广泛使用的康复手段是运动训练，减重步行训练是公认的最有效的疗法。训练初期，由于患者下肢不足以支撑自身体重，为了帮助患者实现站立状态，必需一套部分减重支持系统。国内外现有的减重系统的核心技术主要包括以下几类：丝杠螺母机构、电动卷线原理、液/气压拖动等。这些系统操作方便程度和安全舒适性各有不同，但是有一个共同的弊端：只能实现减重功能，在运动训练过程中，必需有一名理疗师手动辅助患者完成重心调整的动作。要实现两个方向的重心调整，往往需要两名理疗师手动辅助完成，不仅严重增加了人力的投入和劳动强度，也因为人工干预而无法定量训练，从而影响训练效率和效果，有时甚至延误康复时机。作为改进，国外有设备采用了砝码减重，在实现减重的同时，可以实现重心在垂直位置的自适应调整。但是这种减重系统的减重量手动必须调整，而且不能连续调整。另外，额状面的重心调整仍然无法实现。要在减重步态康复训练中依靠减重装置自动重建正确的步态运动模式，重心的调整是必不可少的。
发明内容
因此，本发明的目的是针对目前减重设备中存在的问题，实现：(1)自动的可连续在线调节的减重设置，适合不同的患者或同一患者的不同康复阶段；(2)重心在矢状面和水平面内的调节，符合正常人体步行的步态特征，为患者提供正确的步态模式。
本发明提供了一种具有重心调整功能的部分减重支持装置，包括框架结构、传动系统和控制系统三部分；
所述传动系统包括电机、蜗轮蜗杆机构，以及含有两套正弦机构的重心调整机构，所述电机通过皮带和皮带轮与所述重心调整机构的传动主轴相连，所述重心调整机构的传动主轴上还安装有两个电磁离合器，用于控制相应齿轮组将传动主轴的转动分别传递到所述的两套正弦机构和所述的蜗轮蜗杆机构；
所述框架结构由底架、立柱、横梁组装而成，在立柱和横梁内部空腔中安装有滑轮组；还设有三根钢丝绳分别通过滑轮组穿过所述立柱和横梁的内部空腔，其中一根钢丝绳上安装有拉力传感器，它的一端与穿戴在人体上的吊具的竖直方向顶部相连，另一端分成两股，分别与所述两套正弦机构中的一套的输出端，以及蜗轮蜗杆机构中的蜗轮相连；另外两根钢丝绳的一端分别与所述吊具的水平方向两侧相连，另一端均与所述两套正弦机构中的另一套的输出端相连；
所述控制系统包括电机控制电路、电磁离合器控制电路和钢丝绳拉力测量电路，所述电机控制电路与所述电机通过电缆相连，用于控制电机的启动、停止和正反转，以及调节电机转速；所述电磁离合器控制电路与所述电磁离合器通过电缆相连，用于控制电磁离合器的开关，实现传动通路的选择；所述钢丝绳拉力测量电路与所述拉力传感器通过电缆相连，用于编译、显示所述拉力传感器送来的信号。
在本发明中，通过传动齿轮之间的装配保证所述两套正弦机构之间具有90度的相位差。
本发明的优点在于：(1)采用电力拖拽进行减重支持，使得该装置整体结构简单；(2)电动机运行过程中无污染，噪音小，运行平稳，维护简便；(3)整套设备可实现电气化控制，操作方便；(4)采用蜗轮蜗杆机构，具有自锁功能，保证了患者在训练过程中的安全性。
初步实验表明，本发明所述的具有重心调整功能的部分减重支持系统结构紧凑、调节方便、适用于临床要求，并且所提供的减重和重心调整功能合理，可以广泛用于各种下肢运动功能障碍患者的康复训练。
附图说明
图1为本发明所述的具有重心调整功能的部分减重支持系统的总体示意图。
图2为传动系统的三维示意图。
图3为重心调整机构内部结构的三维示意图。
具体实施方式
下面结合附图来详细说明本发明的典型实施例。
在本发明的一个典型实施例中，所述具有重心调整功能的部分减重支持装置包括框架结构、传动系统和控制系统三部分。
如图1所示，所述框架结构由横梁1、立柱2、护栏3、扶手4和底架5组成。底架5由U型槽钢制造，立柱2由正方形中空型钢制造，并且焊接于底架5中部上表面。横梁1由U型槽钢制造，采用螺钉螺母与立柱顶部连接。在横梁1和立柱2中间空腔内安装有滑轮组，钢丝绳6通过滑轮组穿过立柱和横梁，一端与穿戴在人体上的吊具上的挂钩相连，另外一端与重心调整机构(下文描述)相连。为了保证外观，所有的钢丝绳和滑轮组均在该结构内部。护栏3由圆形钢管弯制成型，两端分别用螺钉螺母固定于两根立柱中部。扶手4由圆形钢管弯制而成。在立柱中部安装有两个套筒。扶手4的两端插在套筒中，由销钉固定。所述钢丝绳中，其中一根钢丝绳(称为钢丝绳a)上安装有拉力传感器14，其一端从横梁1底部中部开口处穿出，与穿戴在人体上的吊具的竖直方向顶部相连，另外一端另一端分成两股，分别与下述两套正弦机构中的一套的输出端，以及下述蜗轮蜗杆机构中的蜗轮相连；另外两根钢丝绳(分别称为钢丝绳b、c)的一端分别从左右立柱中部开口处穿出，与穿戴在人体上的吊具的水平方向两侧相连，另一端与所述两套正弦机构中的另一套的输出端相连。
控制箱7内部装有下述的传动系统(包括电动机、蜗轮蜗杆机构、重心调整机构等)和控制系统(包括电机控制电路、电磁离合器控制电路和钢丝绳拉力测量电路)。
如图2所示，所述传动系统包括电动机9、蜗轮蜗杆机构13，以及含有大小两套正弦机构的重心调整机构22。电动机9通过皮带和皮带轮与重心调整机构22的传动主轴10(将在下文所述)相连。重心调整机构22的一个输出轴(将在下文描述)通过联轴节与蜗轮蜗杆机构13的蜗杆相连。
如图3所示，所述重心调整机构包含传动主轴、两套牙嵌式电磁离合器、两套正弦机构以及相应的传动齿轮组。左侧电磁离合器8和右侧电磁离合器15分别套在传动主轴10上，通过套筒和螺钉实现径向和轴向的固定。主轴左侧传动齿轮11中间安装有轴承，通过轴承套在传动主轴上，再通过螺钉与左侧电磁离合器8的活动端相连。主轴右侧传动齿轮16中间安装有轴承，通过轴承套在传动主轴10上，再通过螺钉与右侧电磁离合器15的活动端相连。输出轴传动齿轮12通过键与输出轴21固定，并与主轴左侧传动齿轮11啮合。大正弦机构驱动齿轮17与大正弦机构通过键固定连接，并与主轴右侧传动齿轮16啮合。小正弦机构驱动齿轮19与小正弦机构通过键固定，并与大正弦机构驱动齿轮17啮合。大正弦机构驱动齿轮17和小正弦机构驱动齿轮19的传动比为2∶1，因此大正弦机构18与小正弦机构20的运动周期比为1∶2。通过装配时调整大正弦机构驱动齿轮17和小正弦机构驱动齿轮19之间的角度，保证两套正弦机构保持90度的相位差，保证正弦机构的输出满足步态周期中人体重心位移的实际规律。
所述控制系统包括电机控制电路、电磁离合器控制电路和钢丝绳拉力测量电路，所述电机控制电路与所述电机通过电缆相连，用于控制电机的启动、停止和正反转；所述电磁离合器控制电路与所述电磁离合器通过电缆相连，用于控制电磁离合器的开关，实现传动通路的选择；所述钢丝绳拉力测量电路与所述拉力传感器通过电缆相连，用于编译、显示所述拉力传感器送来的信号。
本发明采用钢丝绳悬吊方式实现减重，通过一套正弦机构实现重心在垂直方向和水平方向的调整。具体工作方式如下：
在开始训练前，患者穿戴好吊具，通过吊具肩部和骨盆两侧的挂钩与钢丝绳联接，悬挂于框架结构上。
操作医师通过控制箱7来操作该装置来进行患者的训练。训练前根据患者的康复水平确定训练中所需减重量，减重量可由钢丝绳拉力测量电路显示。然后控制左侧牙嵌式电磁离合器8闭合，选通传动通路I。控制电动机9启动，电机转矩传递到重心调整机构的传动主轴10。由于左侧牙嵌式电磁离合器8闭合，带动主轴左侧齿轮11与传动主轴10同步转动，将主轴转动通过输出轴传动齿轮12先传递到输出轴21，再通过联轴节传递到蜗轮蜗杆机构13的蜗杆，蜗杆驱动蜗轮转动，卷紧钢丝绳将患者吊升到适合高度。减重量的多少取决于吊升的高度，钢丝绳上布置的拉力传感器14实时监测减重量大小，并通过控制系统中的所述钢丝绳拉力测量电路反馈给操作医师。吊升完毕，控制电动机9停转，依靠蜗轮蜗杆机构的自锁功能，保持患者吊升高度不变，在训练中维持减重量恒定，并保证患者不会发生坠落的危险。
接下来控制左侧牙嵌式电磁离合器8断开，此时主轴左侧传动齿轮11不再与传动主轴10同步转动。同时闭合右侧牙嵌式电磁离合器15，选通传动通路II，主轴右侧传动齿轮齿轮16与传动主轴同步转动，驱动图3所示的两套正弦机构通过钢丝绳带动患者的重心在竖直和水平方向移动。具体过程为：主轴右侧传动齿轮齿轮16驱动到大正弦机构驱动齿轮17，大正弦机构驱动齿轮17驱动大正弦机构18输出调整重心水平侧向位移的正弦运动；同时通过大正弦机构驱动齿轮17将动力传递到小正弦机构驱动齿轮19，由大正弦机构驱动齿轮17驱动小正弦机构20输出调整重心竖直方向位移的正弦运动。
训练结束后，控制右侧牙嵌式电磁离合器15断开，传动通路II断开。同时控制左侧牙嵌式电磁离合器8闭合，选通传动通路I。控制电动机9反转，并驱动蜗轮蜗杆机构放松钢丝绳，将患者降下。解除吊具，完成训练。
Claims (5)
1.具有重心调整功能的部分减重支持装置，其特征在于，所述装置包括框架结构、传动系统和控制系统三部分；
所述传动系统包括电机、蜗轮蜗杆机构，以及含有两套正弦机构的重心调整机构，所述电机通过皮带和皮带轮与所述重心调整机构的传动主轴相连，所述重心调整机构的传动主轴上还安装有两个电磁离合器，用于控制相应齿轮组将传动主轴的转动分别传递到所述的两套正弦机构和所述的蜗轮蜗杆机构；
所述框架结构由底架、立柱、横梁组装而成，在立柱和横梁内部空腔中安装有滑轮组；还设有三根钢丝绳分别通过滑轮组穿过所述立柱和横梁的内部空腔，其中一根钢丝绳上安装有拉力传感器，它的一端与穿戴在人体上的吊具的竖直方向顶部相连，另一端分成两股，分别与所述两套正弦机构中的一套的输出端，以及蜗轮蜗杆机构中的蜗轮相连；另外两根钢丝绳的一端分别与所述吊具的水平方向两侧相连，另一端均与所述两套正弦机构中的另一套的输出端相连；
所述控制系统包括电机控制电路、电磁离合器控制电路和钢丝绳拉力测量电路，所述电机控制电路与所述电机通过电缆相连，用于控制电机的启动、停止和正反转，以及调节电机转速；所述电磁离合器控制电路与所述电磁离合器通过电缆相连，用于控制电磁离合器的开关，实现传动通路的选择；所述钢丝绳拉力测量电路与所述拉力传感器通过电缆相连，用于编译、显示所述拉力传感器送来的信号。
2.根据权利要求1所述的具有重心调整功能的部分减重支持装置，其特征在于：通过传动齿轮之间的装配保证所述两套正弦机构之间具有90度的相位差。
3.根据权利要求1所述的具有重心调整功能的部分减重支持装置，其特征在于：在所述框架结构的立柱中部还固定有用于保护使用者安全的护栏和扶手。
4.根据权利要求1所述的具有重心调整功能的部分减重支持装置，其特征在于：所述与吊具竖直方向顶部相连的钢丝绳的一端是从横梁底部中部开口处穿出的。
5.根据权利要求1所述的具有重心调整功能的部分减重支持装置，其特征在于：与所述吊具的水平方向两侧相连的两根钢丝绳是分别从左右立柱中部开口处穿出的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090909 Termination date: 20110526 |