CN204618765U

CN204618765U - 上肢康复训练装置

Info

Publication number: CN204618765U
Application number: CN201520177261.0U
Authority: CN
Inventors: 孙绍波; 邱亦睿; 孙可可; 周水庭; 黄翠云; 林超; 余小莉; 殷泽灵; 谢文梅; 王琎; 莫佳佳
Original assignee: Xiamen University of Technology
Current assignee: Xiamen University of Technology
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2025-03-27

Abstract

上肢康复训练装置，涉及医疗康复设备。设有手环、前臂、前臂滑块、弹簧固定销、前臂弹簧、轴承端盖、端盖螺丝、上臂滑块、上臂弹簧、肩托轴、肩托轴轴承、上臂、连接轴、连接轴轴承；所述手环设在前臂的前端，前臂的后端通过连接轴轴承与上臂的下端转动连接，前臂滑块设在前臂的一侧，弹簧固定销设在前臂滑块上，前臂弹簧的一端固定在弹簧固定销上，前臂弹簧的另一端固定在上臂的下端，连接轴设在连接轴轴承上，轴承端盖通过端盖螺丝安装在连接轴轴承上，用于对连接轴轴承的密封；上臂弹簧的下端通过销固定在上臂滑块上，上臂弹簧的上端通过销固定在上臂的上部，肩托轴的一端与肩托轴轴承过盈配合并安装在上臂的上端，肩托轴的另一端为自由端。

Description

上肢康复训练装置

技术领域

本实用新型涉及医疗康复设备，尤其是涉及一种穿戴式上肢康复训练装置。

背景技术

众所周知，科技的不断发展和进步带来了人类生活水平的不断提高和改善。但是，伴随这一现象而产生的人口老龄化问题却成为了全球性的一个难题。根据人口结构调查结果的数据显示，我国如同其他很多国家一样也已经步入了“老年性”社会。预计到2040年前后，我国年龄处于65岁及以上老年人的人口数量将会占据总人口数比例的20％以上。由于老人很有可能患有各种各样的慢性疾病，通常会导致中风、偏瘫和肌肉麻痹等疾病的发生。病人在进行了一般的手术治疗之后还需要进行额外的辅助康复训练，这样才能够进一步促进局部血液的循环，从而缓解关节和肌肉的萎缩。这一现象造成了医疗需求的快速增长和医疗费用的急剧上升，已经并将继续对患者的家庭，甚至是全社会造成巨大压力。同时，由于经济的高速发展，人们的生活水平有了极大的提高，家用轿车的数量也急剧上升。虽然这方便了人们的出行，但是也带来了极大的负面影响，例如交通、环境问题等。不得不提的是，车祸的数量也大大的提高了，而车祸伤害的患者的四肢能力也常在不同程度上受到制约，这就造成了越来越多的人由于车祸而出现一系列的四肢康复需求。

随着我国人口老龄化进程的加快，各种车祸导致的疾病的肆虐，以及人们健康意识的增强，这所以的一切都推动着本课题研究对象-上肢康复训练装置的发展。同时，根据前人研究表明，医疗仪器已经开始从结构和操作十分复杂的、仅适合应用于医院的大型专业医疗设备，逐渐朝着既适用于医院又适用于家庭和个人的小型穿戴式的，甚至是植入式的医疗设备的方向发展。

上肢康复训练装置是一种特别为具有上肢功能障碍的患者研制而成的主要针对其康复训练的机械装置。这种设备的目的在于通过带动患者进行各种特定的训练从而帮助患者恢复原有的功能，达到更好的康复效果，实现最大程度的生活自理能力。

然而，由于上肢长短、粗细等方面的情况因人而异，因此设计时应该将这一变数加以考虑，尽可能将机械手臂上臂和前臂的长度设计为可以调整的。至于手臂粗细的人体，可以通过改变软垫的厚度等措施来弥补患者之间的这一差异。

由于不同的患者其自身情况和病情轻重有所差异，例如同样是上肢肌肉萎缩，老年人和年轻人就有很大的差距，因此应该为他们量身定制不同的训练强度。根据训练强度的不同要求，可以将上肢康复训练的训练模式分为三种，分别为被动运动、助力运动和阻力运动。所谓被动运动是指由上肢康复训练装置提供的动力来带动患者的受伤肢体进行康复训练以达到康复目的的训练方式。此时患者处于被动的状态，其训练结果与患者自身的意识没有较大的差距，因此称之为被动运动。这种类型的康复训练装置使患者在被动意识下接受辅助康复治疗，难于针对患者的特点给予个性化的调整。由于安装有驱动器，导致整个装置比较笨重，穿戴在患者身上也造成了患者的负担，且一旦出现操作失误或者其他意外情况可能对患者造成较大的伤害。同时，这种装置自身结构较为复杂，设计制造的成本也较高，导致购买这类设备的费用一般较高，给病人的家庭和社会造成了沉重的负担。

20世纪80年代是康复训练装置研究的初期阶段，美国、英国和日本等多个发达国家在这一方面的研究状况处于世界的领先地位。穿戴式上肢机器人研究的初衷是用于军事领域的，希望用外骨骼机器人来提高单兵作战能力，例如给人提供保护、额外的动力和能力，增强人体机能，使得军人能够轻松地完成很多艰难的活动和任务。但是，随着研究的进一步加深，研究人员发现这种设备在现实生活中有更大的需求，所以逐渐转向民用的医疗康复领域。

自1997年以来，美国麻省理工学院相继研究出ARM-guide,MAHI,CADEN-7等设备，开启了穿戴式康复训练装置的先河。紧接着，MIT-MAUNS-第一个康复机器人应运而生。此后，许多类型的治疗设备已经通过巧妙的研究人员研究出来。

美国的研究不仅仅局限于此，外骨骼机器人“WEAR”是由萨克斯公司开发研制出来的第一款外骨骼机器人。紧接着，他们又成功研制出了XOS，这款外骨骼机器人代表着2008年乃至此后许多年这一领域最为顶尖的技术。它通过多个附着在人体表面的传感器给外骨骼传送信号，这种信号以最快的速度传达并且处理，使XOS机器人可以迅速反应身体的动作，与其做出相同的反应。这一机器人实现了人体最大可能的负重，据测试，当穿上XOS外骨骼的试验者举起200磅的重物时，其实际负重感觉只有20磅。

日本在这一研究领域也是世界的佼佼者，据统计世界上大约一半的工业机器人都是由日本实用新型出来的。在这一领域就不得不提到2005年由筑波大学在成功研制的一台商业全身式外骨骼机器人HAL-5。当时，这台机器人被《时代》杂志评为最佳发明。虽然这台机器人有较大的自重，但是它是重力平衡的，可以自我支撑，所以使用者穿上它之后并不会感觉有额外的负担。HAL-5的研制十分适应日本的社会现状，即十分严重的社会老龄化的发展趋势。它的设计主旨是帮助老年人或行走失调者设计制造的一个能够帮助他们运动的辅助外骨骼装置，几乎日常生活中的一切活动几乎都可以借助HAL-5完成。

国外的有些设计不仅仅只有这些，还有T52Enryu、松下充气式外骨骼等，这些研究成果给国内外此研究领域的人员带来了许多借鉴和思考。

目前国内这一领域的研究相对薄弱，就上肢康复训练装置而言，产品的功能相对单一，其运用的范围仅限于局部关节，也就是上文提到的关节的单一运动，例如肩关节屈/伸运动、肘关节屈/伸运动等，难于做到五个关节的复合运动。而且，现有的这一领域的不管是上市产品还是研究中的设备都存在着智能化程度不高的弊端。

值得庆幸的是，越来越多的人认识到了这一不为乐观的现状，所以国内几所高校也开始了对人体上下肢康复训练装置的探索。近年来，浙江大学率先研究出一款助力外骨骼，它利用液压作为动力驱动来源，因此能够提供较大的能量，也就是说这款外骨骼可以承受较大质量的重物。除此之外，佳木斯大学工程技术研究所对人体下肢机械式膝关节运动进行了分析，他们分析了人体膝关节的结构和组成，通过对机械膝关节运动要求的研究得出机械膝关节支撑期控制法和机械膝关节摆动期的控制法。这项研究虽然是下肢研究的部分，但是他们的研究方法和研究结果对于研究上肢康复训练装置具有十分重要的借鉴意义，对开发更为先进和适宜的产品提供帮助。

因为上肢康复训练装置要与人类上肢一起运动，所以需要它能都产生与上肢运动类似的运动。就像XOS机器人通过传感器提供的信号可以迅速反应身体的动作，与其做出相同的反应。基于这一方面的考虑，在设计一个合理的上肢康复训练装置以前，需要对人类上肢的运动规律有一个十分清晰的把握。

上肢有三个关节，分别为肩关节、肘关节和腕关节。其中，肩关节是一个典型的多轴球窝关节，具有三个自由度，是最为灵活的关节之一，可以作屈伸、收展、旋转等运动。肩关节周围有大量的肌肉，正是因为这些肌肉的存在才使得肩关节有一定的稳固性。肘关节是一个单轴关节，只有一个自由度，能够进行屈伸运动。至于，腕关节则有两个自由度。

上肢康复训练的主要目的是为了恢复上肢肌肉原有的功能，这就不可避免的需要对上肢部分的关键肌肉有一定深入的了解。查找相关资料，了解到上肢部分有三个肌肉是十分关键，它们分别为三角肌、肱二头肌和肱三头肌。三角肌的位置在肩部，呈现出来的是三角形的形状，所以将其命名为三角肌，它的功能主要是使肩关节外展。肱二头肌的位置在上臂的前侧，呈现出来的形状十分像梭子——一头长一头短，所以称之为二头肌。肱二头肌的收缩与肘关节的运动密切相关，当肱二头肌收缩时，肘关节处于弯曲状态；而当肱二头肌处于舒张状态时，肘关节一般处于伸直状态。肱三头肌的位置处于上臂的后侧，因为它的外形有三个头，所以称其为为三头肌。它的收缩与肘关节的运功也密切相关，但是功能与肱二头肌相反。当肱三头肌收缩时，肘关节一般处于伸直状态；而当肱三头肌舒张时，肘关节处于弯曲状态。

车仁炜等人分析得出穿戴式上肢康复训练装置的设计要基于舒适性和经济性的原则进行，他们研究了Safaee-Rad等人对10名正常的成年人所进行的多个日常生活中的动作所做的观察和测量，同时参照仿生机械手臂模型，并且结合康复医疗的相关知识所得出的结论，将上肢的的运动大致简化为五自由度模型，如表1所示，分别为肩关节屈/伸运动，肩关节外展/内收运动，肘关节屈/伸运动，前臂内旋/外旋运动，腕关节外展/内收运动。

表1各关节单独动作时的运动范围

项目	角度	方向
			肩关节屈/伸运动	90°～-15°	上臂前摆为正
肩关节外展/内收运动	0°～90°	上臂自然下垂为0°
			肘关节屈/伸运动	0°～125°	前臂自然下垂为0°
前臂内旋/外旋运动	-90°～90°	前臂外旋为正
			腕关节外展/内收运动	-75°～75°	腕关节外展为正

然而在现实生活中，不仅仅只是这五个关节的单一运动，而是要实现这五个关节的复合运动。所以在设计上肢康复训练装置时要在满足各个关节单独康复的基础上，对于多关节的同步康复应当给予充分的考虑。例如，腕关节外展/内收运动，前臂内旋/外旋运动，肘关节屈/伸运动和肩关节屈/伸运动这四个运动均可以同时进行。

根据林博扬等人的研究成果，可以建立上肢动力学模型。上肢主要包括两个部份，即上臂和前臂。其中，上臂是从肩到肘部的区域，而前臂是从肘的指尖的部分。

上肢动力学模型十分复杂，特别是肩关节外展/内收运动和腕关节外展/内收运动难以通过简单的、纯机械式的装置来实现。同时，在上肢康复训练装置的运动训练中，不仅仅要考虑个别关节的单独康复，最为重要的是肩关节和肘关节之间的协调运动，所以一般不将腕关节和肘关节的旋转运动考虑进来。综上考虑，可以将上肢的动力学进一步简化上肢的动力学模型。姚重阳等人将上肢动力学模型简化为2个关节3个连杆的机构，即肩关节、肘关节和代表上臂、前臂的连杆以及代表躯干的固定点。

分析计算可知，上肢的重力势能是：

V_g＝-m_u g r_SMu-m_f g r_EM f (1)

其中，m_u和m_f分别是上臂和前臂的质心。r_SMu和r_EM f是分别肩关节和肘关节到M_u和M_f的距离。

上式由受力分析之后可以简单得出。

现有的上肢康复训练装置普遍存在装置体积较大、使用不方便、康复训练效果不佳等缺点。

发明内容

本实用新型的目的在于提供可个性化自主调整训练强度，运动轨迹符合人体上肢的运动特点和肌肉骨骼特性，轻便，穿戴简单舒适，安全，费用较低的一种穿戴式上肢康复训练装置。

本实用新型设有手环、前臂、前臂滑块、弹簧固定销、前臂弹簧、轴承端盖、端盖螺丝、上臂滑块、上臂弹簧、肩托轴、肩托轴轴承、上臂、连接轴、连接轴轴承；

所述手环设在前臂的前端，前臂的后端通过连接轴轴承与上臂的下端转动连接，前臂滑块设在前臂的一侧，弹簧固定销设在前臂滑块上，前臂弹簧的一端固定在弹簧固定销上，前臂弹簧的另一端固定在上臂的下端，连接轴设在连接轴轴承上，轴承端盖通过端盖螺丝安装在连接轴轴承上，用于对连接轴轴承的密封；上臂弹簧的下端通过销固定在上臂滑块上，上臂弹簧的上端通过销固定在上臂的上部，肩托轴的一端与肩托轴轴承过盈配合并安装在上臂的上端，肩托轴的另一端为自由端。

所述弹簧固定销上可设有螺帽。

所述肩托轴上可设置肩托和柔性垫物。

由于肩托轴与肩托轴轴承过盈配合，肩托轴轴承与上臂过盈配合，因此可做旋转运动；手环用于本实用新型固定在人体上肢。

本实用新型的优越性在于：不包含任何驱动器，且其能达到类似于其它主动式物理治疗系统相同的功能，实现个性化自主调整训练强度；另外，其运动轨迹符合人体上肢的运动特点及其所涉及肌肉骨骼特性，弹性复位训练组件提高训练效果的同时可有效避免意外伤害；同时，本实用新型的结构轻便、穿戴简单舒适、费用较低。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型实施例设有手环1、前臂2、前臂滑块3、弹簧固定销4、前臂弹簧6、轴承端盖7、端盖螺丝8、上臂滑块9、上臂弹簧10、肩托轴11、肩托轴轴承12、上臂13、连接轴14、连接轴轴承。

所述手环1设在前臂2的前端，前臂2的后端通过连接轴轴承与上臂13的下端转动连接，前臂滑块3设在前臂2的一侧，弹簧固定销4设在前臂滑块3上，前臂弹簧6的一端固定在弹簧固定销4上，前臂弹簧6的另一端固定在上臂13的下端，连接轴14设在连接轴轴承(图中未画出)上，轴承端盖7通过端盖螺丝8安装在连接轴轴承上，用于对连接轴轴承的密封；上臂弹簧10的下端通过销固定在上臂滑块9上，上臂弹簧10的上端通过销固定在上臂13的上部，肩托轴11的一端与肩托轴轴承12过盈配合并安装在上臂13的上端，肩托轴11的另一端为自由端。

所述弹簧固定销4上可设有螺帽5。

所述肩托轴上可设置肩托和柔性垫物。

由于肩托轴11与肩托轴轴承12过盈配合，肩托轴轴承12与上臂13过盈配合，因此可做旋转运动；手环1用于本实用新型固定在人体上肢。

本实用新型的工作原理：板组件和弹性复位元件组成。板组件包括上臂和前臂，弹性复位元件包括两个滑块和两根弹簧。板件中间部分设计出凹槽放置滑块的导轨，这样还有助于减轻装备总体的质量，给患者上肢减轻负担。在上臂顶部设有肩托轴，肩托轴与板组件之间利用滚动轴承连接，以实现肩关节的转动并可以防止轴向串动。肩托轴上可设置肩托和柔性垫物，使本实用新型与患者密切配合。同理，在前臂的前端也设置了类似的装置用于定位和固定。利用人在行走时，弹簧与滑块之间能量的相互转化来实现康复效果。

本实用新型的可行性说明如下：在所有上肢康复的运动训练当中，最为关键和重要的是肩关节和肘关节各自的康复运动以及他们的协调运动，一般不将腕关节和肘关节的旋转运动考虑进来，所以本实用新型要求可以实现肩关节屈/伸运动、肘关节屈/伸运动以及两者的协调运动。本实用新型能够满足肩关节和肘关节屈伸运动的需要，同时满足两者的协调运动。

所述上臂弹簧10与上臂滑块9形成能量之间的转化，当人的上肢往下摆动时，上臂滑块9往下移动，同时上臂弹簧10拉长储存能量。当人的上肢往上摆动时，上臂弹簧10收缩拉动上臂滑块9上移，实现上臂康复效果。

所述前臂弹簧6与前臂滑块3形成能量之间的转化，当人的上肢往下摆动时，前臂滑块3往下移动，同时前臂弹簧6拉长储存能量。当人的上肢往上摆动时，前臂弹簧6收缩拉动前臂滑块3上移，实现前臂康复效果。

所述肩托轴轴承12与肩托轴11过盈配合可实现不发生相对移动的旋转运动，模拟人体上肢肩关节的前后摆动。

所述连接轴14通过与一对连接轴轴承过盈配合，实现上臂14与前臂2的连接与相互旋转，模拟人体上肢肘关节的前后摆动。

所述轴承端盖7被端盖螺丝8分别固定在上臂13和前臂2轴承孔上，实现密封，防止灰尘进入及润滑油泄露。

所述肩托轴11架在人体的肩上，使装置更贴于手臂上，防止训练时滑落，康复训练效果更佳。

一般简单的、纯机械式的装置十分难以实现肩关节外展/内收运动和腕关节外展/内收运动。同时，在所有上肢康复的运动训练当中，最为关键和重要的是肩关节和肘关节各自的康复运动以及他们的协调运动，一般不将腕关节和肘关节的旋转运动考虑进来，所以本实用新型要求可以实现肩关节屈/伸运动、肘关节屈/伸运动以及两者的协调运动。

本实用新型没有用到机电设备，所以不存在电机超程等问题的出现。同时，每个与人体贴合的部分都设置适当的柔性材料，在康复装置或者是外界人群、环境等因素的意外碰撞中，可以缓解其对患者造成的损害。

本实用新型不考虑被动模式的设计方案，而选择设计一种基于助力运动模式的上肢康复训练装置。所谓助力运动就是指在患者患肢尚未完全丧失其原有功能但仍然没有足够力量完成主动运动的情况下，由医务人员和患者本人配合，利用器械提供适当的力量来协助患肢进行康复训练的一种运动模式。需要注意的是，所提供的助力必须与患者的主动用力配合协调，同时又要避免以所提供的助力来代替主动用力。在上述模式下的康复训练必须遵循主动运动为主，助力运动为辅的原则，这样才能达到最佳的康复训练效果。这种康复训练装置在使用时，应当尽量不引起明显的疼痛以及避免冲击性的动作，同时患者可根据自己的恢复情况自主地进行康复训练，故训练效果比较好。

Claims

1.上肢康复训练装置，其特征在于设有手环、前臂、前臂滑块、弹簧固定销、前臂弹簧、轴承端盖、端盖螺丝、上臂滑块、上臂弹簧、肩托轴、肩托轴轴承、上臂、连接轴、连接轴轴承；

2.如权利要求1所述上肢康复训练装置，其特征在于所述弹簧固定销上设有螺帽。

3.如权利要求1所述上肢康复训练装置，其特征在于所述肩托轴上设置肩托和柔性垫物。