PL232728B1 - Urządzenie rehabilitacyjne dla osób z niepełnosprawnością ruchową kończyn dolnych, zwłaszcza do reedukacji chodu oraz sposób sterowania urządzeniem - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie rehabilitacyjne dla osób z niepełnosprawnością ruchową kończyn dolnych, zwłaszcza do reedukacji chodu oraz sposób sterowania urządzeniem.

Dotychczas znane są urządzenia integrujące system odciążania z bieżnią lub egzoszkieletem, w taki sposób, że układ odciążający zamocowany jest w stałym położeniu, niezmiennym względem bieżni. Układ odciążający działa w nich w sposób statyczny wykorzystując sprężyny czy przeciwwagę lub w sposób dynamiczny, poprzez zastosowanie siłownika czy wciągarki wraz z układem do pomiaru siły. Siła odciążająca przenoszona jest poprzez linę, na końcu której zamocowana jest uprząż ortopedyczna. Prędkość bieżni zadawana jest niezależnie od pracy układu odciążającego. Urządzenie tego typu przedstawione jest w amerykańskim zgłoszeniu patentowym nr US 20040097330 A1. Ponadto nie istnieją systemy sterowania prędkością bieżni umożliwiającej trening w odciążeniu, gdzie prędkość bieżni regulowana jest automatycznie w sprzężeniu zwrotnym z kątem wychylenia liny oraz sygnałami nacisku z wkładek do butów wyposażonych w czujniki nacisku.

Znane są również z japońskiego opisu patentowego JP10099388 bieżnie ruchome z przewijaną taśmą wymuszającą chodzenie osoby znajdującej się na taśmie. Niedogodnością powyższego rozwiązania jest skomplikowana konstrukcja urządzenia oraz wysoki jego koszt.

Znana jest z polskiego opisu patentowego nr PL212962 bieżnia do rehabilitacji i treningu, składająca się z napędzanego pasa bieżni wykonanego w formie pasa bez końca, napiętego na rolakach, mechanizmu podnoszenia służącego do zmiany obciążenia treningowego i poręczy ułatwiającej utrzymanie równowagi, która zawiera przymocowany do ramy generator drgań pionowych pasa bieżni, który ma postać silnika elektrycznego z niesymetrycznie rozmieszczonymi masami wirującym i, zamontowanymi na osi. Ponadto mechanizm podnoszenia ramy jest połączony z serwomotorem, który napędza mechanizm podnoszenia. W polskim opisie patentowym PL223756 przedstawione jest rozwiązanie urządzenia rehabilitacyjnego do reedukcji chodu, które zawiera uprząż zawieszoną pod wózkiem na cięgnie, a zespół regulacji wysokości usytuowania uprzęży zawiera bęben z samohamownym napędem nawijania cięgna zakończonego uprzężą, która opasowuje tułów osoby ćwiczącej chodzenie, zawiera także pasy obejmujące nogi tej osoby. Bęben cięgna napędzany jest za pomocą przekładni ślimakowej. Niedogodnością rozwiązania jest znaczne ograniczenie ruchu osoby trenującej w osi poprzecznej. Ponadto ruch wózka wymuszany jest poprzez samego pacjenta oraz osobę wspomagającą, co niekorzystnie wpływa na komfort treningu.

Celem wynalazku jest zaprojektowanie urządzenia wspomagającego proces reedukacji chodu pacjenta, które umożliwi większy zakres przemieszczeń w osi poprzecznej pacjenta oraz adaptację prędkości działania bieżni do aktualnej prędkość chodu pacjenta. Ponadto, system sterowania pozwoli na wykrywanie niebezpiecznych sytuacji, takich jak upadki i zatrzymanie działania urządzenia.

Cel ten został osiągnięty poprzez zintegrowanie wciągarki przemieszczającej się liniowo wzdłuż belki suwnicowej z bieżnią treningową oraz wkładkami do butów wyposażonymi w czujniki nacisku. Niezbędnym elementem jest również układ do pomiaru kąta wychylenia liny w dwóch prostopadłych płaszczyznach.

Urządzenie rehabilitacyjne według wynalazku charakteryzuje się tym, że składa się z bieżni treningowej (7) wyposażonej w wkładki do butów z czujnikami nacisku (8) rozmieszczonymi w przedniej i tylnej części każdej wkładki, jednostki sterującej (10) bieżnią treningową (7), belki (1) korzystnie suwnicowej, do której zamontowana jest na wózku (9) wciągarka (3) wyposażona w układ pomiaru kąta wychylenia liny (5) i czujnik siły naciągu liny (4).

Korzystnie do wciągarki zamontowana jest za pomocą liny uprząż ortopedyczna.

Korzystnie mechanizm ruchu wózka jest sprzężony z serwosilnikiem za pomocą śruby napędowej.

Sposób sterowania urządzeniem według wynalazku polega na tym, że rejestruje się pomiar sygnału z rezystancyjnych czujników nacisku wkładek do butów, w które wyposażony jest pacjent, pomiar kąta wychylenia liny w dwóch prostopadłych kierunkach, zgodnych z kierunkiem ruchu bieżni treningowej oraz kierunkiem ruchu wózka wciągarki, przy czym na podstawie zarejestrowanych wartości sygnałów jednostka sterująca reguluje prędkość bieżni treningowej tak, aby wartość siły naciągu liny była utrzymywana na zadanym przez użytkownika poziomie, a kąt wychylenia liny do φι-ef = ± 2,5°.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość przemieszczania się liniowo wózka wciągarki wzdłuż belki suwnicowej, która zorientowana jest prostopadle do kierunku ruchu bieżni, dzięki czemu urządzenie według wynalazku realizuje ruch nadążny za przemieszczeniami bocznymi pacjenta w jego płaszczyźnie czołowej. Jest to szczególnie istotne dla pacjentów o ograniczonej ruchomości w kończynach dolnych i w stawie biodrowym, u których przemieszczenia boczne są znacznie większe, niż u zdrowego człowieka. Ruch nadążny za pacjentem w jego płaszczyźnie czołowej zapewnia większy komfort ćwiczeń, szczególnie w początkowej fazie rehabilitacji. Możliwość autom atycznego sterowania prędkością bieżni, za pomocą sprzężenia prędkości bieżni z kątem wychylenia liny, do której podpięty jest pacjent, umożliwia zmianę prędkości bieżni przez pacjenta w dowolnym momencie oraz jej zatrzymanie.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia widok izometryczny urządzania rehabilitacyjnego według wynalazku, Fig. 2 przedstawia schemat systemu sterowania mechatroniczną bieżnią z mechanizmem odciążenia, Fig. 3 przedstawia schemat ideowy sposobu sterowania prędkością bieżni z mechanizmem odciążenia i czujnikami nacisku, natomiast Fig. 4 przedstawia schemat blokowy sterowania prędkością bieżni z mechanizmem odciążenia i czujnikami nacisku. P r z y k ł a d 1

Urządzenie rehabilitacyjne według wynalazku wyposażone jest w mechatroniczną bieżnię treningową (7), układ odciążający w postaci wciągarki (3) zamontowanej do poziomej belki suwnicowej (1) znajdującej się nad bieżnią (7), zorientowanej prostopadłe do kierunku działania bieżni (7), przy czym belka suwnicowa (1) przytwierdzona jest do stropu lub do dedykowanej konstrukcji ramowej. Wózek (9) wciągarki (3) może przemieszczać się liniowo wzdłuż belki (1), a jego ruch realizowany jest poprzez śrubę napędową sprzężoną z serwosilnikiem (2), zamocowaną do belki (1). Dodatkowym elementem koniecznym do działania urządzenia jest układ do pomiaru kąta wychylenia liny (5), który podobnie jak czujnik siły (4), zamontowany jest do wciągarki (3). Osoba ćwicząca zapięta jest do końca liny wciągarki (3), korzystnie za pomocą uprzęży ortopedycznej (6). Układ do pomiaru kąta wychylenia liny (5) mierzy wychylenie liny w dwóch prostopadłych kierunkach, zgodnych z kierunkiem działania bieżni i kierunkiem ruchu wózka wciągarki. Jednostka sterująca (10) kontroluje działanie napędów wciągarki (3) oraz bieżni (7) tak, aby utrzymywać stałą wartość siły naciągu liny oraz kąt wychylenia liny nie większy niż 2,5°. Prędkość bieżni treningowej (7) regulowana jest automatycznie na podstawie pomiaru kąta wychylenia liny (5) mierzonym wzdłuż kierunku działania bieżni treningowej (7). Układ odciążający w postaci wciągarki (3) może przemieszczać się w kierunku prostopadłym do kierunku działania bieżni, wykonując ruch nadążny za przemieszczeniami bocznymi pacjenta. Sterowanie serwonapędem (2) odpowiadającym za przemieszczenie wózka wciągarki (9) realizowane jest w pętli sprzężenia zwrotnego z kątem wychylenia liny (5) mierzonym na kierunku równoległym do kierunku ruchu wózka, natomiast sterowanie wciągarką (3) działa w pętli sprzężenia zwrotnego z czujnikiem siły odciążającej (4). Osoba trenująca podpięta jest do liny wciągarki (3), korzystnie za pomocą uprzęży ortopedycznej (6). Ponadto, do butów wkłada się dedykowane wkładki (8), z których każda posiada rezystancyjne czujniki wykrywające nacisk w przedniej i tylnej części stopy. Przy wykryciu potencjalnie niebezpiecznej sytuacji gwarantują zatrzymanie pracy bieżni treningowej (7) oraz utrzymanie liny na stałej wysokości, co zapobiega upadkowi pacjenta. P r z y k ł a d 2

Sposób sterowania urządzeniem według wynalazku polega na tym, że rejestruje się sygnały z czujników nacisku (8) usytuowanych we wkładkach do butów, z czujnika siły (4) i sygnały z układu do pomiaru kąta wychylenia liny (5) w dwóch prostopadłych kierunkach, zgodnych z kierunkiem ruchu bieżni treningowej (7) oraz kierunkiem ruchu wózka (9) wciągarki (3). Na podstawie zarejestrowanych wartości sygnałów pomiarowych steruje się urządzeniem tak, aby wartość siły naciągu liny była stała (zgodna z wartością wprowadzoną na początku treningu), a kąt wychylenia liny (5) nie większy niż 2,5°. Jeżeli mierzone naciski stopy na podłoże spełniają kryterium zgodności z konfiguracjami dla wzorcowego chodu, algorytm sterowania umożliwia dalszą pracę urządzenia. W pierwszym kroku bieżnia treningowa (7) uruchamia się ze zdefiniowanymi wstępnie ustawieniami, a następnie, na podstawie pomiaru kąta wychylenia liny (5) dokonuje się korekty prędkość bieżni. Kryterium zgodności określane jest w oparciu o sygnały nacisku (8) wkładek do butów, które identyfikują naciski stopy na podłoże w czterech strefach - w przedniej i tylnej części dla prawej i lewej stopy. Jeżeli konfiguracja tych nacisków jest jedną z konfiguracji występujących podczas wzorcowego chodu, kryterium jest spełnione. Adaptację prędkości bieżni treningowej (7) realizuje się na podstawie pomiaru kąta wychylenia liny (5) w układzie odciążającym. Jeżeli kąt wychylenia liny φ jest nieduży - w zakresie przyjętej wartości referencyjnej (ψΓθί = ± 2,5°), prędkość bieżni treningowej (7) nie zmienia się. Jeżeli osoba ćwicząca przemieści się do przodu, a lina wychyli się o wartość większą niż 2,5°, bieżnia przyśpiesza. Analogicznie, jeżeli kąt wychylenia liny (5) jest mniejszy niż -2,5°, prędkość bieżni jest zmniejszana. Zatrzymanie pracy bieżni treningowej (7) następuje w momencie, gdy zarejestrowana zostanie nieprawidłowa konfiguracja nacisków lub gdy spełnione zostanie kryterium zatrzymania, które definiuje się podczas uruchomienia: czas treningu lub dystans.

Po wybraniu w bieżni trybu automatycznego sterowania prędkością bieżni treningowej (7), weryfikuje są sygnały z czujników nacisku (8) we wkładkach do butów. Jeżeli naciski te spełniają kryterium zgodności z konfiguracjami dla wzorcowego chodu, algorytm sterowania umożliwia dalszą pracę urządzenia. Kryterium zgodności określane jest w oparciu o sygnały nacisku z wkładek do butów które identyfikują naciski stopy na podłoże w czterech strefach: PP - stopa prawa, część przednia, PT - stopa prawa, część tylnia, LP - stopa lewa, część przednia, LT - stopa lewa, część tylnia.

Jeżeli konfiguracja tych nacisków jest jedną z konfiguracji występujących podczas wzorcowego chodu, kryterium jest spełnione.

Tabela określa weryfikację kryterium poprawności nacisków stóp na bieżnię

Przed rozpoczęciem treningu należy definiować prędkość początkową z jaką ma zacząć działać bieżnia oraz kryterium zatrzymania: czas treningu lub dystans do pokonania.

Adaptację prędkością bieżni realizuje się na podstawie pomiaru kąta wychylenia liny w układzie odciążającym. Jeżeli kąt wychylenia liny φ (wg Fig. 2) jest nieduży, w zakresie przyjętej wartości referencyjnej (cpref ± 2,5°), prędkość bieżni Vb nie ulega zmianie. Jeżeli osoba ćwicząca przemieści się do przodu, a lina wychyli się o wartość większą niż 2,5°, bieżnia przyśpiesza, gdy kąt wychylenia liny jest mniejszy niż -2,5°, prędkość bieżni jest zmniejszana. Działanie algorytmu pokazuje Fig. 4. Zatrzymanie pracy bieżni następuje w momencie, gdy zarejestrowana zostanie nieprawidłowa konfiguracja nacisków lub, gdy spełnione zostanie kryterium zatrzymania, które definiuje się podczas uruchomienia.

Zaletą zaproponowanego sposobu jest możliwość identyfikacji nacisków stopy pacjenta na podłoże, co umożliwia wykrywanie upadków. Sposób ten umożliwia automatyczne sterowanie prędkością bieżni, która adaptuje się do prędkości chodu pacjenta i nie wymaga dodatkowych czynności związanych z użyciem przycisków. Odciąża to zatem terapeutę i zapewnia efektywny trening osobie wykonującej ćwiczenia.

Claims (4)

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie rehabilitacyjne dla osób z niepełnosprawnością ruchową kończyn dolnych, zwłaszcza do reedukacji chodu wyposażone w belkę suwnicową, po której porusza się wózek z wciągarką, do której przymocowana jest uprząż podtrzymująca osobę ćwiczącą chodzenie oraz bieżni treningowej znamienne tym, że składa się z bieżni treningowej (7) wyposażonej w wkładki do butów z czujnikami nacisku (8) rozmieszczonymi w przedniej i tylnej części każdej wkładki, jednostki sterującej (10) bieżnią treningową (7), belki (1) korzystnie suwnicowej, do której zamontowana jest na wózku (9) wciągarka (3) wyposażona w układ pomiaru kąta wychylenia liny (5) i czujnik siły naciągu liny (4).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że do wciągarki (3) zamontowana jest za pomocą liny uprząż ortopedyczna (7).

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że mechanizm ruchu wózka (9) jest sprzężony z serwosilnikiem (2) za pomocą śruby napędowej.

4. Sposób sterowania urządzeniem, znamienny tym, że rejestruje się pomiar sygnału z rezy-stancyjnych czujników nacisku (8) wkładek do butów, w które wyposażony jest pacjent, pomiar kąta wychylenia liny (5) w dwóch prostopadłych kierunkach, zgodnych z kierunkiem ruchu bieżni treningowej (7) oraz kierunkiem ruchu wózka (9) wciągarki (3), przy czym na podstawie zarejestrowanych wartości sygnałów jednostka sterująca (10) reguluje prędkość bieżni treningowej (7) tak, aby wartość siły naciągu liny (4) była utrzymywana na zadanym przez użytkownika poziomie, a kąt wychylenia liny (5) do cpref = ± 2,5°.