RU2756370C2

RU2756370C2 - Оборудование для реабилитации движения верхних и нижних конечностей

Info

Publication number: RU2756370C2
Application number: RU2017132495A
Authority: RU
Inventors: Массато Макияма Антонио; Йошио Макияма Томас
Original assignee: Массато Макияма Антонио; Йошио Макияма Томас
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2021-09-29
Also published as: US10709923B2; EP3299003B1; KR20180034275A; RU2017132495A3; MX2017011947A; BR102016022139B1; BR102016022139A2; CN107865751A; RU2017132495A; CN111449903A; EP3299003A1; PT3299003T; US20180085616A1; KR102154320B1; ES2751899T3; JP2018061834A; JP6928952B2

Abstract

Изобретение относится к медицине, а именно к оборудованию для реабилитации движения верхних и нижних конечностей. Оборудование включает роботизированную руку, устройство для подключения, систему зубчатых колес, два двигателя, драйвер, программное обеспечение виртуальной или дополненной реальности, систему контроля и управления и экран. Роботизированная рука имеет проксимальный конец и оканчивается дистальным концом. Роботизированная рука включает больший стержень, имеющий длину в интервале от 1 см до 100 см, и меньший стержень, имеющий длину в интервале по существу от 5 см до 50 см. Устройство для подключения подключено к дистальному концу роботизированной руки и выполнено с возможностью присоединения к дистальному концу верхней или нижней конечности. Система зубчатых колес функционально связана с проксимальным концом роботизированной руки и включает две противоположные шестерни, шестерню-сателлит и соединительный элемент. Двигатели функционально связаны с системой зубчатых колес. Каждый из двух двигателей выполнен с возможностью напрямую приводить в движение одну из двух противоположных шестерней. Обе противоположные шестерни выполнены с возможностью приводить в движение шестерню-сателлит. Драйвер электрически соединен с двигателями. Система контроля и управления соединена с драйвером и программным обеспечением виртуальной или дополненной реальности. Экран соединен с программным обеспечением виртуальной или дополненной реальности. Оборудование выполнено с возможностью движения роботизированной руки в трехмерном пространстве по криволинейным траекториям. Когда только дистальный конец верхней или нижней конечности подсоединен к оборудованию, конечность подвешена в пространстве. Достигается увеличение эффективности реабилитации. 29 з.п. ф-лы, 24 ил.

Description

[001] Настоящее изобретение относится к оборудованию для реабилитации движения верхних и нижних конечностей, которое является компактным, портативным, легким, удобным для транспортировки. Оборудование оснащено устройством для дистального конца конечности пациента, роботизированную руку, зубчатую передачу, два двигателя, программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности для того, чтобы взаимодействовать с пациентом. Система управления и контроля позволяет выполнять движения и упражнения в трехмерном пространстве, так что пациенты с заболеваниями или неврологическими травмами, заболеваниями в мышцах, ревматизмом, моторными и/или когнитивными заболеваниями, а также пациенты на этапе послеоперационной реабилитации могут упражняться и восстановить движения верхней и/или нижней конечностей. Оборудование также применяется для целей тренировок и физподготовки (фитнеса).

[002] Болезни или неврологические травмы, болезни опорно-двигательного аппарата, мышечные, ревматические, двигательные и когнитивные заболевания порождают серьезные проблемы в жизни людей, лишая их возможности осуществлять повседневную активность, начиная от простейших видов деятельности, таких как поднятие объекта, до более сложных видов деятельности, таких как уход и личная гигиена и использование оборудования. Такие заболевания и травмы подрывают возможность человека жить повседневной жизнью.

[003] Эти повреждения, как правило, являются результатом несчастных случаев, физической травмы, дегенеративных заболеваний и нарушений мозгового кровообращения (CVA), но бывают и случаи, когда необходимо двигательная реабилитация после операции для того, чтобы пациент возобновил свою нормальную деятельность.

[004] Для того, чтобы помочь в восстановлении пациентов, физиотерапевты работают с пациентом один на один и выполняют с ними отдельные упражнения, подобранные для каждого пациента с использованием методов, разработанных в этой области человеческих знаний.

[005] Хотя работа этих специалистов имеет важное значение для реабилитации больных, лечение и восстановление длятся больше времени, так как сеанс терапии требует физического участия физиотерапевта, который будет выполнять упражнения с пациентом. Таким образом, время выполнения упражнения пациента ограничивается продолжительностью сеанса с физиотерапевтом. Кроме того, упражнения зависят от физических усилий физиотерапевта, порождая усталость физиотерапевта, что влияет на качество лечения, так как физиотерапевт, уставший после нескольких сеансов, не будет иметь такую же производительность и ту же физическую силу выполнять упражнения и движения с пациентом.

[006] Другим недостатком, с которым сталкивается физиотерапевт, является то, что его способность оценить силу пациента, способность к движению и прогресс в реабилитации весьма субъективна. Другими словами, невозможность оценки или количественного мониторинга с объективными числовыми данными может привести к в неточной диагностике и назначению неподходящего лечения для конкретного пациента. Кроме того, из-за субъективности оценки и мониторинга у двух или более терапевтов могут возникать разные точки зрения на ситуацию пациента.

[007] В попытке помочь в двигательной реабилитации больных и в работе физиотерапевтов были разработаны различные типы оборудования для двигательной реабилитации верхних и / или нижних конечностей, которые известны в текущем состоянии техники и перечислены ниже.

[008] Патент США 8.177.688 раскрывает большое по размерам устройство для реабилитации нижних конечностей, которое требует специфических помещений для его работы, причем его трудно транспортировать, и пациент выполняет упражнения стоя, и, в зависимости от степени повреждения, может даже быть необходимым, чтобы пациент поддерживался ремнями, веревками или другими крепежными элементами.

[009] Патент США 5.704.881 показывает другое оборудование большого размера для реабилитации, при помощи которого пациент подвешен на ремнях.

[010] Патент США 6.666.831 показывает большое оборудование для реабилитации нижних конечностей, в котором пациент подвешен на ремнях, прикрепленных к туловищу, и каждая нога соединена с двумя механическими стержнями, которые делают движение, позволяющее поднимать и опускать ноги.

[011] Заявка на патент США 2015/0342817 представляет оборудование для реабилитации нижних конечностей, которое выполняет движения в горизонтальной плоскости. Для достижения реабилитации нижняя конечность располагается на подножке.

[012] Патент PI 1000960-4 демонстрирует оборудование для реабилитации нижних конечностей, с помощью которого пациент подвешивается на ремнях, а нижние конечности перемещаются вверх и вниз для достижения моторной реабилитации.

[013] Патент WO 2014/085810 показывает устройство для реабилитации рук, которое использует систему пружин, зубчатые колеса и реечную передачу и двигатель для выполнения упражнения пронации и супинации или сгибания и разгибания, по порядку, в горизонтальной плоскости.

[014] Патент США 7.3679.58 показывает ортез с электромиографическим датчиком, который соединен с плечом и предплечьем пациента и направлен на стимулирование движения верхней конечности.

[015] Патент США 5.951.499 представляет устройство для реабилитации плеча, предплечья и кисти руки, которое выполняет только движение пронации и супинации конечности; требуется долгое время для размещения верхней конечности в устройстве.

[016] Заявка на патент США 2016/0000633 представляет реабилитационное оборудование, которое может выполнять упражнения, по одному за раз, в плоскости, с помощью исполнительных механизмов, шарнирных манипуляторов и системы, которая позволяет движение шарнирных манипуляторов для выполнения реабилитационных упражнений.

[017] Патент США 5.466.213 представляет собой аппарат большего размера, предназначенный для реабилитации верхней конечности, состоящий из шарнирных манипуляторов, которые позволяют выполнять упражнения, по одному за раз, в плоскости. С помощью этого устройства пациент может выполнять отдельно упражнения сгибания и разгибания, затем может выполнять упражнения пронации и супинации, а также упражнения с боковыми движениями. Размер устройства затрудняет транспортировку.

[018] Патент США 7.618.381 показывает оборудование для реабилитации верхних конечностей, работающее с предплечьем и запястьем, расположенным на опоре или на аппарате для выполнения упражнений для запястья пациента. Эти упражнения выполняются в плоскости. Часть оборудования, осуществляющая упражнения с запястьем, располагает тремя двигателями и связывается с шарнирными манипуляторами, соединенными с двумя двигателями чтобы выполнять свою работу с оставшейся частью верхней конечности, причем рука пациента также поддерживается на опоре. Из-за своих характеристик устройство имеет размеры, которые затрудняют его транспортировку. Позиционирование конечности пациента отнимает много времени, а движения конечностей осуществляются в горизонтальной плоскости и с поддержкой, по одному за раз.

[019] WO 2014/057410 показывает экзоскелет для реабилитации и движения нижних конечностей.

[020] В WO 2012/176200 представлено устройство для реабилитации верхних конечностей, содержащее сенсорную систему, механизм исполнительных механизмов и модуль обработки данных для сбора информации о здоровой конечности и генерирования упражнения для конечности, которая нуждается в реабилитации.

[021] Несмотря на то, что они представляют собой прогресс в двигательной реабилитации верхних или нижних конечностей у пациентов, эти известные устройства текущего состояния имеют недостатки.

[022] Один из недостатков относится к размеру реабилитационных устройств, которые имеют большой объем, их трудно транспортировать, и им нужны подготовленные места для их установки и использования. При этом пациент должен идти к месту, где установлен прибор, и упражнения ограничиваются графиком работы этого места, ограничивая количество упражнений, которые пациент может выполнять, и увеличивая время восстановления пациента.

[023] Другой недостаток связан со временем, необходимым для позиционирования конечности пациента в устройстве. Поскольку большинство устройств требует, чтобы конечность поддерживалась на опоре или аппарате, или чтобы пациент подвешивался на ремнях, значительная часть сеанса физиотерапии тратится на позиционирование пациента, что сокращает время упражнений в сеансе реабилитации.

[024] Нам можно также отметить, что движения и упражнения, выполняемые по методу текущего состояния устройств, не имеют сходства с движениями, которые выполняются людьми в повседневной деятельности (AВД), потому что во время упражнений и движений конечность пациента лежит на опорах и аппаратах или пациент подвешен на ремнях, что не соответствует повседневным ситуациям, ведь в норме изо дня в день, из-за суставов конечностей, люди выполняют преимущественно криволинейные движения в трехмерном пространстве.

[025] Кроме того, эти устройства предназначены для выполнения упражнений по одному за раз и без интеграции между движениями, что, опять же, не соответствует движениям, которые человек выполняет в повседневной жизни.

[026] Другим недостатком метода текущего состояния устройств является то, что они выполнены для выполнения упражнений в горизонтальной плоскости, что генерирует частичную стимуляцию мозга. Так происходит потому, что при движении в горизонтальной плоскости сила тяжести, направленная вертикально и вниз, не влияет на движения конечности, в результате чего реабилитация происходит медленнее и является менее эффективной для пациента.

[027] Лишь небольшое количество оборудования, принадлежащее к текущему уровню техники, использует программное обеспечение, интегрированное в устройстве, чтобы взаимодействовать с пациентом во время выполнения упражнений. Однако эти программы не слишком хорошо стимулируют и мотивируют пациента, так как показывают только точку начала и целевую точку движения, без какой-либо виртуальной обстановки, которая могла бы обеспечить контекст упражнения и движения в повседневной жизни пациента, и без создания связей и сходства с деятельностью повседневной жизни (AВД) человека. Кроме того, употребляемые для этих целей программы, имеющиеся в уровне техники, не являются развлекательными и не имеют аудио- или визуальных компонентов, которые могли бы стимулировать когнитивные качества пациента во время сеанса реабилитации.

[028] Настоящее изобретение, которое является предметом данной заявки на патент, было разработано новым, оригинальным творческим способом, чтобы помочь в двигательной реабилитации верхних и нижних конечностей, используя инновационное решение, которое выходит за рамки современных знаний и приносит существенные новшества в этой области человеческого знания.

[029] Предлагаемое оборудование может быть использовано для выполнения упражнений у пациентов с неврологическими заболеваниями или травмами, заболеваниями опорно-двигательного аппарата, мышц, с ревматическими, двигательными и / или когнитивными заболеваниями, такие как пациенты, которые перенесли инсульт, или которые находятся на начальном этапе болезни Паркинсона или Альцгеймера, или которые пострадали в аварии или получили физическую травму, и это также полезно для пациентов в процессе восстановления после хирургических вмешательств, для пациентов, которым необходимо исправить или переучиваться движениями, и для профилактической подготовки, с тем чтобы предотвратить прогрессирование этих заболеваний.

[030] В дополнение к своей роли в двигательной реабилитации больных, изобретенное устройство может быть использовано весьма эффективно в тренировке и физической подготовке людей.

[031] Оборудование работает с движениями и упражнениями в трехмерном пространстве и обеспечивает отличные условия для того, чтобы пациент выполнял движения, которые имеют сходство с теми, которые он выполняет в повседневной жизни (AВД). Некоторые примеры таких упражнений, не ограничивая, включают: перемещать объект из одного места в другое, подобрать объект и поместить его на стол, поднести столовые приборы и еду ко рту, открыть дверь, сервировать завтрак, собрать фрукты, забрать хлеб и поставить его в духовку или микроволновку, пинать мяч, ускорять автомобиль, подняться по лестнице, совершать физические упражнения, принимать участие в игры, среди других.

[032] Эти движения в трехмерном пространстве, например, движение большого диапазона, перекрестные движения, ипсилатеральные движения и контралатеральные движения, требуют большей активации мышц, особенно по сравнению с движениями, сделанными в горизонтальной плоскости и с поддержкой конечности, а также содействуют усиленной стимуляцией мозга, поскольку потребуется перемещать большее количество мышечных групп, и мозгу нужно будет задействовать большее количество нейронных связей для выполнения упражнения.

[033] Способ, посредством которого конечность подключается к оборудованию, обеспечивает приостановку конечности в пространстве, и движение осуществляется под влиянием силы тяжести, что делает упражнение очень похожим на движения повседневной жизни людей и увеличивает напряжение мышц и работу мозга для координации этих движений, ускоряя процесс реабилитации.

[034] Кроме того, стоит отметить, что движения, выполняемые в повседневной деятельности лиц (ПД), преимущественно имеют криволинейные траектории, что воспроизводится и осуществляется посредством заявленного оборудования.

[035] Обладая такими характеристиками, оборудование обеспечивает более быструю и эффективную реабилитацию. Оно во многом превосходит возможности аналогов существующего уровня техники, которые работают только в плоскости, а конечности при этом движутся с поддержкой. Эти недостатки существующего уровня техники вызывают уменьшенную стимуляцию мозга, а также формируют движения, которые не имеют достаточного сходства с движениями, совершаемыми в повседневной деятельности) человека (ПД).

[036] В заявленном устройстве, в отличие от этого, в активном режиме пациент перемещает конец роботизированной руки, а само это движение показывается на экране.

[037] В активно-ассистивном режиме оборудование помогает в выполнении движений, регулируя (модулируя) силы, смещения, скорости и ускорения в соответствии с индивидуальными пациента и его планом реабилитации. Это очень полезно, например, для двигательной реабилитации больных, перенесших инсульт (нарушение мозгового кровообращения, CVA), которые имеют нерегулярное движение конечностей: оборудование способно следовать и мягко исправлять отклонения в движениях, чтобы движения выполнялись в желаемой траектории.

[038] В активно-ассистивном режиме также возможно программировать оборудование для того, чтобы обеспечить сопротивление движениям пациента, что особенно полезно для тренировочных упражнений и фитнеса.

[039] В пассивном режиме, оборудование направляет движения пациента в соответствии с установленным планом реабилитации.

[040] Эти траектории включают терапевтически функциональные движения и упражнения со смещениями, скоростями и ускорениями в соответствии с предписанным восстановительным лечением для данного пациента, или в соответствии с учебным планом физической подготовки.

[041] Помимо этого, оборудование может быть использовано для оценки, мониторинга и диагностики двигательных проблем пациента и его восстановления. Это осуществляется путем измерения силы, пространственной траектории, скорости, точности и других диагностических и отслеживаемых переменных. Другими словами, получая точные и объективные численные данные для более тщательной оценки и для того, чтобы создать план более эффективной и быстрой реабилитации.

[042] Благодаря тому, что оборудование является компактным, легким, портативным, простым в транспортировке и не требующим специального приспособления пространства для установки и использования, оно может применяться дома у пациента, в реабилитационных клиниках, клиниках физической терапии, кабинетах врачей и больницах, в том числе в спортивных центрах, в случае тренировки и физической подготовки.

[043] Изобретенное оборудование имеет устройство для подключения дистального конца руки или ноги пациента, роботизированную руку, зубчатую передачу, два двигателя, один или два драйвера, программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности и систему управления и контроля.

[044] Устройство, позволяющее подключить дистальный конец конечности пациента к оборудованию двигательной реабилитации, может иметь различные формы, в зависимости от того, подсоединяется ли оно к руке или к ноге, от типа желаемых упражнений, а также от осложнений, имеющихся у пациента.

[045] В случаях реабилитации верхней конечностей, устройство для подключения к руке предпочтительно выполнено в форме шара или анатомической формы для пальцев или руки пациента, но также возможно использовать рычаг, один джойстик или другой формат, обеспечивающий удобный захват.

[046] Устройство может содержать датчики для того, чтобы пациент мог нажать их рукой или ногой и получить визуальный, звуковой или другие эффекты на экране виртуальной и/или дополненной реальности программного обеспечения, что создает еще больший стимул для пациента, так как познавательная часть мозга также упражняется в сочетании с моторной частью.

[047] В случаях реабилитации нижних конечностей, устройство может иметь форму шара, эллипсоида, доски, педали или другой формат, который позволяет удобно располагать ноги.

[048] В обоих случаях, соединение руки или ноги с устройством выполняется предпочтительно с лентами или ремешками с липучкой (Велькро, застежка с крючками и петлями) для того, чтобы облегчить и ускорить подключение пациента к оборудованию. Для этой деятельности достаточно позиционировать руку или ногу на устройстве и прикрепить ленту или ремешок с липучкой, что упрощает и ускоряет работу, оставляя больше времени для упражнений.

[049] Устройство предпочтительно выполнено из силикона, но могут быть использованы пластмассы, полимеры, эластомеры, пены, дерева, металл или другие материалы, опционально с наличием покрытий поверхности, текстур или рельефов, что может облегчить подключение оборудования к пациенту или стимулировать тактильные аспекты или чувствительность конца конечности.

[050] Устройство может быть закреплено на роботизированной руке или может содержать внутри себя универсальный шарнир, систему подшипников или сферический шарнир для того, чтобы обеспечить подвижность по отношению к роботизированной руке.

[051] Предпочтительно используют систему подшипников, универсальный шарнир или шаровой шарнир, потому что вращательное движение устройства относительно роботизированной руки позволяет реализовать более сложное движение запястья и конечности пациента, улучшая восстановление и обеспечивая большую универсальность устройства.

[052] Так, например, без намерения быть исчерпывающим, при реабилитации верхней конечности использование подшипников или универсального шарнира (кардана) или шарового шарнира позволяет пациенту выполнять вращение запястьями в комбинации с упражнениями для предплечий, руки и плеча. В случае реабилитации нижней конечности лодыжка может осуществлять вращательные движения наряду с движениями для колена, голени и бедра.

[053] Следует отметить, что в изобретенном оборудовании, единственная точка подключения конечности пациента с устройством осуществляется с помощью этого устройства. При этом, вся конечность пациента подвешена в пространстве без любой поддержки или несущего устройства, только под действием гравитации, и может свободно перемещаться в трехмерном пространстве. За счет этого реабилитационные упражнения и движения имеют достаточное сходство с движениями повседневной деятельности человека.

[054] Кроме того, эта форма соединения, вместе с движениями в трехмерном пространстве, делает упражнения более сложными, что позволяет реализовать интегрированные одновременные упражнения для всех частей и суставов, требует больших усилий на мышцах пациента, обеспечивает большую стимуляцию мозга и позволяет реализовать движения с криволинейной траекторией, что приносит пользу пациенту и упрощает его двигательную реабилитацию.

[055] В случае тренировочных упражнений и или упражнений для поддержания физической формы можно дозировать или требовать особых усилий для движения мышц, что помогает достичь более быстрого и эффективного результата.

[056] Роботизированная рука предпочтительно состоит из большего стержня с длиной от 1 см до 100 см и меньшего стержня с длиной от 5 см до 50 см, так что при соединении этих двух стержней могут образовываться любые углы между ними.

[057] Стержни могут быть прямыми или иметь некоторый тип кривизны, причем роботизированная рука совместима только с меньшим стержнем прямым или с некоторой кривизной, и длиной от 5 см до 100 см.

[058] Роботизированная рука может быть изготовлена из металла, пластика, дерева, полимера или другого материала, опционально имеющих поверхностное покрытие, текстуру или рельеф.

[059] Сердечник руки также может быть изготовлен из этих материалов, также может иметь поверхностное покрытие, отделочное покрытие, текстуру или рельеф с упомянутыми материалами. В предпочтительном варианте осуществления, роботизированная рука будет иметь металлический сердечник и пластиковое покрытие.

[060] Одним своим концом роботизированная рука подключается к устройству для руки или ноги пациента, а на другом конце рука подключается к зубчатой передаче планетарного типа, причем крепление к зубчатой передаче производится с помощью винтов, штифтов, адгезивов, клея, клея или другого элемента крепления.

[061] Система зубчатых колес включает в себя две противоположные шестерни, шестерню-сателлит и соединительный элемент, который расположен между ними.

[062] Противоположные шестерни соединены с двигателями через полуоси и / или втулки, в то время как шестерня-сателлит соединена с роботизированной рукой и находится перпендикулярно к противоположным шестерням.

[063] Шестерни являются коническими или полусферическими, они могут иметь прямые или спиральные зубья, и опционально могут содержать механизм для предотвращения провисания или люфта.

[064] Соединительный элемент между шестернями может иметь форму многоугольной призмы или форму цилиндра, форму сферы или многогранника.

[065] Этот соединительный элемент соединен с шестерней-сателлитом через штырь и находится в контакте с противоположными шестернями. Соединительный элемент отвечает за осуществление связи между тремя шестернями.

[066] Двигатели передают крутящий момент и вращение на противоположные шестерни, которые, в свою очередь, задают движение шестерни-сателлита, что вызывает движение роботизированной руки, в результате чего происходит смещение конечности пациента в трехмерном пространстве для данной траектории, скорости и ускорения. Важно подчеркнуть, что эти движения очень похожи на те, которые выполняются здоровыми людьми в повседневной деятельности.

[067] Для иллюстрации работы системы зубчатых колес и результата движения роботизированной руки, можно упомянуть, без намерения быть исчерпывающим, некоторые виды вращений шестерен.

[068] В случае, когда две противоположных шестерни вращаются в одном и том же направлении вокруг общей оси и с той же величиной, соединительный элемент и шестерня-сателлит следуют криволинейному движению в плоскости, перпендикулярной к горизонтальной оси противоположных шестерен, в результате чего роботизированная рука и конечности описывают этот же тип движения в той же самой перпендикулярной плоскости.

[069] Для верхней конечности, кисть, предплечье, плечо будут делать упражнения на сгибание и разгибание. Если предположить, что устройство для подключения имеет систему подшипников, карданный или шаровой шарнир, запястье будет выполнять вращательное движение вместе с движением сгибания и разгибания остальной части конечности.

[070] Если упражнение применяется к нижней конечности, движение сгибания и разгибания будет выполняться ступней, голенью, лодыжкой, бедром, причем лодыжка выполняет вращательное движение.

[071] Если две противоположных шестерни вращаются в противоположных направлениях вокруг общей оси, но с теми же величинами, шестерня-сателлит будет вращаться вокруг своей центральной оси, соединительный элемент останется в том же положении, и роботизированная рука будет выполнять движения по криволинейной траектории в плоскости, перпендикулярной к центральной оси шестерни-сателлита.

[072] Таким образом, в случае верхней конечности, она будет двигаться по криволинейной траектории в перпендикулярной плоскости, что задаст комбинированные и интегрированные упражнения для мышц и суставов конечности. В случае нижней конечности это будет выворот и поворот ступни; растяжка и сгибание голеностопного сустава; сгибание, разгибание и вращение колена, так как пациент сидит и колено согнуто для выполнения упражнения.

[073] Когда противоположные зубчатые колеса вращаются с разными величинами – в одном и том же или в противоположных направлениях, или даже в случае, если одна противоположная шестерня вращается, а вторая неподвижна, получим движение соединительного элемента и шестерни-сателлита в плоскостях, наклонных по отношению к горизонтальной плоскости, пересекающей ось противоположных зубчатых колес, тем самым индуцируя движение роботизированной руки и конечности пациента по криволинейной наклонной траектории в в трехмерном пространстве, которые могут совершить движения досягания, крестообразные движения, ипсилатеральные и контралатеральные движения, движение пронации и супинации, сгибание и разгибание, приведение, отведение. Для нижней конечности движения сходны, за исключением пронации и супинацию, которые соответствуют вращению колена вовнутрь и кнаружи. Эти движения требуют большей мышечной активации и большей стимуляции мозга, так как будет необходимо переместить большее количество мышечных групп и мозгу нужно задействовать большее количество нейронных связей для выполнения упражнений, обеспечивая более быстрое и эффективное восстановление пациента.

[074] Таким образом, можно удостовериться, что движения шестерен порождают огромное разнообразие траекторий в трехмерном пространстве, что позволяет выполнять различные движения и реабилитационные упражнения, а также тренировочные упражнения для поддержания физической активности.

[075] Важной отличительной особенностью изобретенного устройства является то, что упражнения, выполняемые на конечности пациента, интегрированные: тренируются сразу несколько групп мышц одновременно; упражнения выполняются под действием силы тяжести; при совершении упражнений конечности описывают криволинейные траектории в трехмерном пространстве, что гораздо ближе к движениям, совершаемым в повседневной жизни здоровыми людьми.

[076] Таким образом, движение, генерируемое системой зубчатых колес и позиционирование подвешенной конечности позволяют выполнять, в одно и то же время, несколько разных функциональных упражнений для реабилитации конечности, используя траекторию конца роботизированной руки. Например, упражнения из стороны в сторону, крестообразные упражнения, ипсилатеральные и контралатеральные упражнения, выворачивание и инверсия, приведение и отведение, сгибание и разгибание и пронация и супинация. Это составляет преимущества перед существующим уровнем техники, поскольку в известных решениях упражнения выполняются по траекториям, лежащим в плоскости, по одному за раз, при этом конечность пациента расположена на опорах.

[077] Каждая противоположная шестерня соединена с двигателем через полуось и / или втулку, а между шестерней и двигателем опционально может располагаться редуктор.

[078] Двигатели имеют крутящий момент от 0,05 до 50 Н⋅м, и имеют датчики положения, которые передают информацию для системы управления и контроля.

[079] Двигатели могут быть выровнены по отношению к соответствующим противоположным шестерням или могут быть расположены перпендикулярно к ним, и в этом случае передача движения двигателя на шестерню будет использовать коннектор или редуктор в форме «L».

[080] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретенного оборудования, каждый двигатель соединен с драйвером, который представляет собой преобразователь логических сигналов в электрические сигналы, и существует связь между этими двумя драйверами устройства для синхронизации данных. Однако, может быть только один драйвер, обслуживающий оба двигателя.

[081] Драйвер имеет функцию получения логических сигналов от системы управления и контроля, что позволяет преобразовывать эти логические сигналы в электрические сигналы, которые посылаются на двигатель, чтобы генерировать вращения и крутящий момент.

[082] Система управления и контроля получает информацию от программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности и управляет и контролирует передачу данных в режиме реального времени между этим программным обеспечением, драйверами и двигателями, интерактивно контролируя движение шестерен, роботизированной руки и конечности пациента.

[083] Программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности совершает визуальное взаимодействие с пациентом и содержит информацию и данные о движениях, которые будут применяться в упражнениях для двигательной реабилитации или в упражнениях физической тренировки и для фитнеса.

[084] С помощью данных, полученных от программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности, система управления и контроля вычисляет траекторию, которая должна быть выполнена пациентом, а также силу и ускорение движения, и посылает логические сигналы драйверам, которые будут преобразовать их в электрические сигналы, в результат чего генерируется вращение и крутящий момент в шестернях. В результате, мы имеем движение шестерен, роботизированной руки и конечности пациента по заданной траектории с определенными силой и ускорением.

[085] В то же время, пока система управления и контроля посылает данные, она также принимает обратную связь с информацией о движениях пациента, сравнивает с информацией, полученной от программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности, пересчитывает траектории и посылает сигналы двигателям для осуществления вращений и крутящих моментов, которые исправляют траекторию, силу и ускорение движения пациента. В то же время, указанная система передает эту информацию в программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности для показания коррекции движения на экране или мониторе.

[086] Программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности, который взаимодействует с пациентом, имеет графический приятный, развлекающий и мотивирующий графический интерфейс. Оно включает игры, различные сценарии, а также среду с фигурами, различным цветом и звуками, чтобы имитировать повседневные ситуации людей, такие как перенести объекта из одной точки в другую, подобрать объект на полке и положить его на стол, открыть дверь, сервировать завтрак, взять фрукт из вазы с фруктами и положить его в блюдо, забрать фрукты, подобрать хлеб и поставить ее в духовку или микроволновую печь, выполнять физические нагрузки и упражнения для фитнеса, играть в игры, ускорить автомобиль, пинать мяч, подняться по лестнице, и тому подобные ситуации.

[087] Во всех этих ситуациях, на экране или мониторе всегда появляется трехмерная фигура руки или ноги пациента, таким образом, стимулируя их функциональные движения конечностей, так что пациент может вызвать в своем воображении динамику реальной сцены предлагаемой ситуации, используя пораженную конечность во время терапии, и, таким образом, активизировать и восстанавливать поврежденную область мозга, соответствующую выполняемому движению.

[088] Программное обеспечение виртуальной и / или дополненной реальности отображает движение конца роботизированной руки, которая соответствует руке или ноге пациента, помещая эти движения в виртуальныесценарии или игры, чтобы пациент чувствовал себя находящимся в окружающей виртуальной среде и мог видеть траектории движения руки или ноги в трехмерном пространстве и мотивацию для выполнения движения.

[089] Взаимодействие между устройством и пациентом, с помощью программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности, очень важно для процесса двигательной реабилитации, потому что пациент может иметь визуальную обратную связь движения своей конечности в обстановке игры, моделирующей реальность; он может почувствовать силу, которую оборудование оказывает на его конечности, и коррекцию положения, траектории, силы и ускорения, когда движение в трехмерном пространстве отличается от запланированного при выполнении упражнения для реабилитации или для фитнеса.

[090] Таким образом, происходит развитие и восстановление не только двигательной части и мышц, но и когнитивной функции пациента.

[091] Программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности может отображаться на экране телевизора в мониторе компьютера, на проекторе или с помощью любых средств, позволяющих пациенту его посмотреть.

[092] Программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности, с его играми и виртуальными сценариями, может работать без каких-либо дополнительных компонентов, но чтобы улучшить погружение пациента в игру или в виртуальном сценарии и для расширения познавательных стимулов, возможно использование виртуальных очков виртуальной и/или дополненной реальности.

[093] Изобретенное оборудование имеет видеопорты в форматах отраслевых стандартов, таких как VGA, HDMI и / или DVI.

[094] Еще одна особенность программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности состоит в том, что оно может быть многопользовательским, то есть, два или более пациентов в различных устройствах могут взаимодействовать в одной и той же игровой среде или виртуальной обстановке, что делает упражнения еще более похожим на те, которые выполняются здоровыми людьми в их повседневной деятельности.

[095] Программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности может быть запрограммировано для конкретных потребностей каждого пациента и, после программирования, пациент может выполнять упражнения без необходимости очного наблюдения физиотерапевтом.

[096] Предлагаемое оборудование является компактным, легким, портативным, удобным для транспортировки. Пациент может выполнять упражнения дома так часто, как он может или хочет, ускоряя процесс реабилитации или физической подготовки и фитнеса.

[097] Это также облегчает работу физиотерапевта, поскольку физиотерапевт может участвовать и контролировать выполнение упражнений сразу несколькими пациентами, либо в месте, где находится оборудование, или дистанционными средствами.

[098] План упражнений для каждого пациента хранится в базе данных, которая может быть доступной через программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности, доступ к которым защищен паролем или биометрическим контролем.

[099] Кроме того, устройство имеет сенсорный экран, как у планшетных компьютеров, или другие внешние устройства, такие как клавиатура и мышь, для доступа к функциям управления оборудования. Таким образом, терапевт или пациент могут получить доступ к параметрам реабилитационных упражнений или физической подготовки.

[100] Для того, чтобы проиллюстрировать и облегчить понимание настоящего изобретения, представлены следующие фигуры:

На фиг.1 показан вид в перспективе двигательного реабилитационного оборудования верхних и нижних конечностей, где показаны оборудование (1), аварийная кнопка (2), планшет (3), биометрический считыватель (4), устройство в форме сферы для подключения конца верхней конечности (5), и роботизированная рука (6).

На фиг.2 показан вид в перспективе двигательного реабилитационного оборудования верхних и нижних конечностей, где показано оборудование (1), кнопка аварийной сигнализации (2), планшет (3), устройство для подключения конца верхней конечности анатомической формы (7), и роботизированную руку (6).

На фиг.3 показан вид в перспективе двигательного реабилитационного оборудования для верхних и нижних конечностей, где показано оборудование (1), кнопка аварийной сигнализации (2), планшет (3), устройство для подключения конца нижней конечности в формате педали (8) и роботизированную руку (6).

На фиг.4 показано устройство (1) внутри транспортировочного кейса (9).

На фиг.5 показан вид роботизированной руки, где показано устройство в форме шара (5), универсальный шарнир (10), датчик (45), больший стержень (11), меньший стержень (12). Можно видеть, что самый большой стержень и меньший стержень имеют сердечник (13) и покрытие поверхности (14).

На фиг.6 представлен вид роботизированной руки (6) с устройством в форме шара (5), систему зубчатых колес, состоящую из противоположной шестерни (15), соединительного элемента (16) и шестерни-сателлита(17), втулки (18), соединяющие каждую противоположную шестерню с двигателем (19) и с редуктором (20).

На фиг.7 показан вид в разрезе системы зубчатых колес для отображения противоположных шестерен (15), соединительного элемента (16), шестерни – сателлита (17), штифта (21) шестерни-сателлита с соединительным элементом, винта (22) шестерни-сателлита в меньшем стержне (12) роботизированной руки, больший стержень (11) и втулки (18).

На фиг.8 показано устройство (1) в своей внешней конфигурации с двигателями, расположенными перпендикулярно к горизонтальной оси противоположных шестерен, причем тоже показано устройство в форме шара (5), роботизированная рука (6), планшет (3) и биометрический считыватель (4).

На фиг.9 показан схематический чертеж взаимосвязи между программным обеспечением виртуальной и/или дополненной реальности (23), системой управления и контроля (24), драйверами (25), двигателями (19), противостоящими зубчатыми колесами (15), шестерней-сателлитом (17), роботизированной рукой (6) и конечностью (26) пациента. На фиг. также показан способ передачи информации (27) и путь обратной связи (28).

На фиг.10 показано оборудование (1) с монитором (29), который отображает игры, сценарии и виртуальные среды программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности (23), причем оба из которых расположены на столе (30).

На фиг.11 показан пациент (47) с верхней конечностью (31) и ладонью (32) в устройстве (5), что свидетельствует о том, что конечность пациента подвешена в трехмерном пространстве и подключена к устройству только посредством устройства (5).

На фиг.12 показана рука (32) пациента, подключенная к устройству с помощью ленты с липучкой(33).

На фиг.13 показана нога (34) пациента, подключенная к устройству (8) для ноги посредством ленты с липучкой (33), причем можно заметить, что нога (35) подвешена в трехмерном пространстве и оборудование ( 1) расположено на земле.

На фиг.14 показаны шестерни с противоположными вращениями (36а и 36b) в одном направлении вокруг общей оси, и с одной и той же величиной.

На фиг.15 показана траектория (37) перемещения роботизированной руки (6), которая генерируется путем поворотов (36а и 36b), показанных на рисунке 14. С помощью этих вращений, роботизированная рука совершает криволинейное движение в плоскости, перпендикулярной по отношению к горизонтальной оси противоположных зубчатых колес (шестерен). Показана начальная позиция (48а) роботизированной руки в более светлом цветовом тоне и конечное положение (48b) в более темном тоне.

На фиг.16 показаны зубчатые колеса (шестерни) с противоположными вращениями (38а и 38b) в противоположных направлениях вокруг общей оси, но с той же величиной.

На фиг.17 показана траектория (39) перемещения роботизированной руки (6), которая генерируется путем поворотов (38а и 38b), показанных на фиг 16. С помощью этих вращений, роботизированная рука (6) совершает движение по криволинейной траектории в плоскости, перпендикулярной к оси шестерни-сателлита. На рисунке показано исходное положение (49a) роботизированной руки в более светлом цветовом тоне и конечное положение (49b) в более темном тоне.

На фиг.18 показаны противоположные шестерни, имеющие вращения с различными величинами (40а и 40b) и противоположными направлениями.

На фиг.19 показана траектория (41) перемещения роботизированной руки (6), которая генерируется путем поворотов (40а и 40b), показанных на рисунке 18. С помощью этих вращений, роботизированная рука (6) совершает в трехмерном пространстве движение с криволинейной траекторией, косой к горизонтальной плоскости, пересекающей ось противоположных шестерен. Показано исходное положение (50а) роботизированной руки в более светлом цветовом тоне и конечное положение (50b) в более темном тоне. Оборудование представлено в перспективном виде.

На фиг.20 показана траектория (37) перемещения роботизированной руки (6) и соответствующая траектория движения (42), отображаемого с помощью программного обеспечения виртуальной и / или дополненной реальности. Показано исходное положение (48а) роботизированной руки в более светлом цветовом тоне и конечное положение (48b) в более темном тоне. Также отображается виртуальная рука (46), которую программное обеспечение отображает на экране и которая служит, чтобы связать руку пациента с виртуальным изображением. Сохранились цвета экрана программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности, чтобы продемонстрировать использование цветов, игровые аспекты установки и мотивирующую среду, подобную реальности повседневной жизни пациента.

На фиг.21 показана траектория (39) перемещений роботизированной руки (6) и соответствующего движения (43), отображаемой с помощью программного обеспечения виртуального и/или дополнено реальности. Показано исходное положение (49a) роботизированной руки в более светлом цветовом тоне и конечное положение (49b) в более темном тоне. Также отображается виртуальная рука (46), которую программное обеспечение отображает на экране и служит, чтобы связать руку пациента с виртуальным изображением. Сохранились цвета экрана программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности, чтобы продемонстрировать использование цветов, игровые аспекты установки и мотивирующую среду, подобную реальности повседневной жизни пациента.

На фиг.22 показана траектория (41) перемещений роботизированной руки (6) и соответствующее движение (44), отображаемое с помощью программного обеспечения виртуальной и / или дополненной реальности. На рисунке показано исходное положение (50а) роботизированной руки в более светлом оттенком и конечное положение (50b) в более темном тоне. Также отображается виртуальная рука (46), которую программное обеспечение отображает на экране и служит, чтобы связать руку пациента с виртуальным изображением. Сохранились цвета экрана программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности, чтобы продемонстрировать использование цветов, игровые аспекты установки и мотивирующую среду, подобную реальности повседневной жизни пациента. На фиг 22 показан аппарат во фронтальном виде, при выполнении того же самого движения, показанного на рисунке 19 в перспективном виде.

На фиг.23 показаны 5 траекторий движений одного хронического пациента, записанных в ходе клинических испытаний перед использованием оборудования, разработанного для лечения двигательной реабилитации.

На фиг.24 показаны 5 траекторий движений того же хронического пациента, записанных в ходе при клинических испытаний после использования изобретенного устройства в течение 18 сеансов.

[101] Изобретенное устройство (1) может быть использовано у пациентов с неврологическими заболеваниями или травмами, с заболеваниями в опорно-двигательном аппарате, в мышцах, с артритом, с двигательными и/или когнитивными заболеваниями; пациенты, которые перенесли травму или физическую травму; пациенты, которые находятся в процессе восстановления после операции; пациенты, которые должны исправить или снова изучить движения; пациенты, которым необходимо провести превентивное обучение в целях предотвращения прогрессирования этих заболеваний и для лиц, ищущих обучение и фитнес.

[102] Оборудование (1) работает с движениями и упражнениями в трехмерном пространстве; оставляя подвешенную конечность в пространстве под влиянием силы тяжести; и движения имеют криволинейные траектории.

[103] Таким образом, движения и упражнения становятся все более сложными и интегрированными, они очень похожи на те, которые люди делают в своей повседневной деятельности (АВД), требуют большей мышечной активации, оживляют большее количество мышечных групп и суставов конечностей и позволяют сильнее стимулировать мозг, которому необходимо набрать большее количество нейронных связей для выполнения упражнений, что обеспечивает более полное, быстрое и эффективное восстановление способностей человека.

[104] Оборудование (1) также может быть успешно применено в оценке, диагностике и мониторинге реабилитации пациента, поскольку оно измеряет силу, пространственную траекторию, скорость, точность выполнения движений и другие диагностические переменные, что позволяет получать точные данные и ставить цели для более тщательной оценки и установления более эффективного и быстрого плана реабилитации.

[105] В случаях применения оборудования для улучшения физической подготовки и занятий фитнесом, оборудование обеспечивает практику целевых упражнений и движений, направленных на более быстрое и эффективное развитие человека, совершая упражнения в игровой и мотивирующей виртуальной среде с цветами, звуками и играми.

[106] Оборудование является компактным, легким, можно его легко носить с собой и оно не требует заранее оборудованной инфраструктуры подготовленной для его установки. Оно может быть транспортировано в кейсе (9), что позволяет использовать его в доме пациента, в реабилитационных клиниках, в физиотерапевтических клиниках, кабинетах врачей, больницах и спортивных залах.

[107] Для того чтобы использовать оборудование (1), нужно просто положить его на стол, если хочется упражнения для верхней конечности, или на землю, если упражнения нужно для нижней конечности; позиционировать пациента сидя или стоя перед оборудованием; и подключить руку (32) или ногу (34) к устройству (5, 7 или 8) ремнями или лентами с липучкой (33).

[108] В случае реабилитации верхней конечности, устройство предпочтительно имеет форму шара (5) или анатомическую форму (7) для пальцев или руки пациента, но также можно использовать устройство в виде рычага, джойстика или другого формата, который позволяет ручной захват.

[109] В случае реабилитации нижней конечности, устройство предпочтительно имеет форму сферы, эллипсоида, доски, педали (8) или другого формата, который позволяет разместить ногу.

[110] С точки зрения материалов, устройство (5, 7 или 8) предпочтительно выполняется из силикона, но могут быть использованы пластмассы, полимеры, эластомеры, пены, дерево, металлы или другие материалы, опционально имеющие поверхностные покрытия, текстуры или рельефы, чтобы облегчить соединение с дистальным концом конечности пациента или стимулировать тактильные аспекты или чувствительность человека.

[111] Следует отметить, что единственная точка подключения конечности пациента к оборудованию – это устройство, которое держит конечность, подвешенную в пространстве без какой-либо поддержки или опорного устройства, обеспечивая воздействие силы тяжести, за счет чего конечность свободно двигается в трехмерном пространстве, что позволяет выполнять упражнения и движения реабилитации, которые очень похожи на движения, осуществляющие человеком в повседневной жизни. Благодаря этому обеспечиваются все более быстрые и эффективные результаты.

[112] Устройство (5, 7, 8) может быть закреплено на роботизированной руке (6) или может содержать, внутри себя, универсальный шарнир, систему подшипников или сферический шарнир (10), чтобы обеспечить мобильность в отношении роботизированной руки (6), причем предпочтительно используется система подшипников, универсальный шарнир или сферический шарнир, чтобы обеспечить вращательное движение устройства относительно роботизированной руки, что приводит к возможности осуществления большего количества движений для конечности пациента.

[113] Устройство может иметь датчики (45) внутри него, так что пациент может сжать его и получить визуальные, звуковые или другие эффекты на экране программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности, что стимулирует когнитивные функции мозга вместе с тренировкой для моторной части человека.

[114] Роботизированная рука (6), которая показана на рисунке 5, предпочтительно образована большим стержнем (11), с длиной от 1 см до 100 см, и меньшим стержнем (12), с длиной 5 и 50 см.

[115] Стержни могут быть прямыми или иметь некоторую кривизну и могут быть объединены под любым углом друг с другом.

[116] Кроме того, также возможно иметь роботизированную руку лишь на меньшем стержне, прямом или с некоторой кривизной и длиной от 5 см до 100 см.

[117] Роботизированная рука (6) может быть массивной и изготовлена из металла, пластика, дерева, полимера или другого материала, и опционально может иметь покрытие поверхности, текстуру или рельеф. Она также может быть изготовлена с сердечником из этих материалов и иметь поверхностное покрытие, рельеф или текстуру, изготовленные из указанных выше материалов. В предпочтительном варианте осуществления, роботизированная рука имеет металлический сердечник (13) и пластиковое покрытие (14).

[118] На одном конце, роботизированная рука (6) подсоединена к устройству для крепления о к руке или ноге пациента, а на другом конце она подключается к системе зубчатых колес с шестерней-сателлитом с помощью винтов (22), штифтов, липких составов, клея или другого фиксирующего элемента.

[119] Система шестерен включает в себя две противоположные шестерни (15), шестерню-сателлит (17) и соединительный элемент (16), который расположен между ними.

[120] Шестерни являются коническими или полусферическими, они могут иметь прямые или спиральные зубья, и опционально могут включать механизм для предотвращения мертвого хода или люфта.

[121] Соединительный элемент (16) может иметь форму призмы с многоугольной или круглой основой (цилиндр), круглую форму или форму многогранника. Он подключается с шестерней-сателлитом (17) с помощью штифта (21) и находится в контакте с противоположным зубчатым колесом (15), сохраняя соединение между тремя шестернями.

[122] Шестерня-сателлит (17) соединяется с роботизированной рукой (6) и перпендикулярна к противоположным передачам (15).

[123] Каждая противоположенная шестерня соединена с двигателем (19) посредством полуоси и / или втулок (18) и, опционально, в систему зубчатых колес может быть включен редуктор (20) между противоположной шестерней (15) и соответствующим двигателем (19).

[124] Сочетание движений шестерен генерирует широкий спектр траекторий для роботизированной руки и конечности пациента в трехмерном пространстве, что позволяет выполнять различные движения как в качестве реабилитационных упражнений, так и для физической подготовки и фитнеса.

[125] Без желания быть исчерпывающими, но для целей иллюстрации некоторой комбинации этих движений и их шестерен и их результаты в траекториях роботизированной руки и конечности пациента, авторы настоящего изобретения представляют следующие примеры.

[126] Когда две противоположных шестерни (15) вращаются в одном и том же направлении вокруг общей оси, и с той же величиной (фиг. 14, поз. 36а и 36b), соединительный элемент (16) и шестерня-сателлит (17) обеспечивают криволинейную траекторию в плоскости, перпендикулярной к горизонтальной оси противоположных зубчатых колес, в результате чего роботизированная рука и конечность пациента описывают криволинейную траекторию (37) в одной и той же перпендикулярной плоскости, что приводит роботизированную руку от положения (48а) до положения (48b ), что можно увидеть на фиг. 14 и 15.

[127] Если две противоположных шестерни (15) т вращаются в противоположных направлениях вокруг общей оси, но с той же величиной (38а и 38b), шестерня-сателлит (17) поворачивается вокруг своей центральной оси, соединительный элемент находится в неподвижном состоянии и роботизированная рука и конечность пациента совершают движение (39) в криволинейной траектории в плоскости, перпендикулярной к оси шестерни-сателлита, в результате чего роботизированная рука двигается от стартовой позиции (49а) в конечное положение (49b),как можно видеть на фиг. 16 и 17.

[128] Если противоположные шестерни вращаются с различными величинами и в противоположных направлениях (40а и 40b), соединительный элемент (16) и шестерня-сателлит (17) представляют движения в плоскостях, наклонных к горизонтальной плоскости, пересекающей ось противоположных зубчатых колес, в результате чего роботизированная рука и конечности пациента двигаются в наклонных криволинейных траекториях в трехмерном пространстве (41). Фигуры 18 и 19 иллюстрируют эту ситуацию, и на фиг. 19 показан вид сверху изобретенного оборудования и начальная позиция (50а) роботизированной руки и конечное положение (50b) в конце движения с изогнутой наклонной траектории (41).

[129] Двигатели (19) имеют крутящий момент от 0,05 до 50 Н*м и датчики положения, которые передают информацию для системы управления и контроля.

[130] Каждый из двигателей может быть выровнен с соответствующей шестерней, или может быть расположен перпендикулярно к ним, и в этом случае, для передачи движения двигателя на шестерню используется коннектор или редуктор в форме «L».

[131] Предпочтительно каждый двигатель (19) соединен с драйвером (25), который представляет собой преобразователь логических сигналов в электрические сигналы, и осуществляет связь между этими двумя драйверами устройств для синхронизации данных. Однако может существовать только один драйвер, обслуживающий оба двигателя.

[132] Драйвер принимает логические сигналы, поступающие от системы управления и контроля (24), превращая эти логические сигналы в электрические сигналы, которые посылаются на двигатель (19) для генерирования вращения и крутящего момента на зубчатых колесах.

[133] Система управления и контроля (24) получает информацию (27) от программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности (23), а также управляет и контролирует передачу данных в режиме реального времени между программным обеспечением (23), драйверами (25), двигателями (19), контролируя, таким образом, движение шестерен (15 и 17), роботизированной руки (6) и конечности пациента.

[134] Внутренне, программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности (23) хранит информацию и данные о движениях, которые будут применяться в упражнениях двигательной реабилитации или в тренировочных упражнениях физической подготовки, передавая эту информацию (27) к системе управления и контроля (24), которая вычисляет траекторию, по которой будут выполняться движения самим пациентом, а также силу и ускорение движения, и посылает логические сигналы в драйверы (25), которые преобразуют в электрические сигналы, вызывающие движение двигателей (19), генерируя вращения и крутящие моменты в зубчатых колесах.

[135] Таким образом, мы имеем движения шестерен, роботизированной руки и конечности пациента в заданной траектории с определенной силой и ускорением.

[136] Система управления и контроля (24) также получает обратную связь (28) с информацией о движениях пациента, сравнивает информацию, полученную от программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности, пересчитывает траекторию и посылает сигналы на двигатели для осуществления вращения и крутящего момента, чтобы скорректировать траекторию, силу и ускорение движения пациента.

[137] В визуальном взаимодействии с пациентом, программное обеспечение виртуальной и / или дополненной реальности (23) отображает на мониторе компьютера (29), на телевизионном экране, в проекторе или в любых других визуальных средах, игры, сценарии и среды с изображениями, цветами и звуками для имитации ситуаций повседневной жизни, показывая пациенту приятный графический, игровой и мотивирующий интерфейс.

[138] Для того, чтобы улучшить погружение пациента в играх и виртуальных сценариях и для расширения познавательных стимулов, можно использовать очки виртуальной и/или дополненной реальности. Тем не менее, программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности, как правило, работает без использования очков.

[139] Для того, чтобы проиллюстрировать взаимодействие между различными компонентами реабилитационного оборудования, далее будут приведены некоторые дополнительные примеры, которые не следует считать исчерпывающим или ограничивающим любой аспект настоящего изобретения.

[140] Рассмотрим движение реабилитации (42) верхней конечности, которое состоит в том, чтобы подобрать объект на столе и положить его в шкаф впереди в криволинейной траектории в трехмерном пространстве, как можно видеть на фигуре 20. Программное обеспечение виртуальной и / или дополненной реальности передает информацию и данные движений (42) для системы управления и контроля, которая вычисляет траекторию, силу и ускорение этого движения. Данная информация или логические сигналы передаются на драйверы, которые преобразуют их в электрические сигналы, которые передаются к двигателям, которые, в свою очередь, передают скорость и крутящий момент на противоположные зубчатые колеса, которые двигают соединительный элемент и шестерню-сателлит, вызывая движение (37) роботизированной руки, которая перемещает конечность. Движение, передаваемое на конечность пациента, появляется на экране, и пациент будет видеть виртуальную руку (46), что даст возможность стимулировать когнитивную функцию, а не только моторную. .

[141] Виртуальная траектория движения (42) имеет прямую траекторию (37) в трехмерном сферическом пространстве. Это возможно потому, что противоположные шестерни имеют одинаковое направление вращения вокруг общей оси с одной и той же величиной (36а и 36b). При этом, соединительный элемент, шестерня-сателлит, роботизированная рука и конечность совершают криволинейную траекторию (37) в плоскости, перпендикулярной к оси противоположных шестерен.

[142] Если пациент сделает некоторое усилие, противодействующее планируемому движению или отклоняющее от проектируемой траектории выполнения движения, система управления и контроля получает эту обратную связь, пересчитывает траекторию, силу и/или ускорение, передает эти данные в виде логических сигналов драйверам, которые посылают электрические сигналы на двигатели, которые передают скорость и крутящий момент на колеса, для того, чтобы скорректировать траекторию, силу и / или ускорение движения пациента. В то же время, система управления и контроля посылает логические сигналы на программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности, которое отображает коррекции траектории конца верхней или нижней конечности на экране или мониторе.

[143] Если движение (43), которое нужно осуществить пациенту, представляет собой движение объекта вбок в горизонтальной плоскости в данной среде, последовательность передачи данных будет такой же, однако, движение противоположных зубчатых колес имеет вращение в противоположных направлениях вокруг общей оси и ту же величину. Таким образом, шестерня-сателлит будет вращаться вокруг своей собственной центральной оси, соединительный элемент будет неподвижным, а роботизированная рука и конечность пациента совершают движение в криволинейной траектории в плоскости, перпендикулярной к оси паутинной шестерни. При этом, пациент будет видеть на экране программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности движение (43) и виртуальную руку (46), и оборудование описывает изогнутую линию (39), ведущую роботизированную руку от позиции (49а) до позиции (49b).

[144] В другом случае, как видно на фиг. 22, если упражнение предусматривает выбрать фрукты из тарелки на столе и положить его в вазу для фруктов, расположенную в месте выше и справа от начальной позиции фрукта, программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности передает информацию движения для системы управления и контроля, которая рассчитывает его траекторию, его силу и его ускорение, сообщая эти данные драйверам, которые передают эту информацию на двигатель, который будут генерировать вращение и крутящие моменты. Таким образом, противоположные зубчатые колеса будут вращаться в противоположных направлениях по отношению к общей оси и с различными величинами, в результате чего соединительный элемент, шестерня-сателлит, роботизированная рука и конечность пациента совершают движения (41) в трехмерном пространстве в криволинейной косой траектории по отношению к горизонтальной плоскости, пересекающей ось противоположных шестерен. Пациент будет видеть движение (44) на экране, вместе с виртуальной рукой (46), а роботизированная рука описывает траекторию (41), от положения (50а) до положения (50b).

[145] В дополнении к его применению в реабилитационных упражнениях, изобретенное устройство также может быть использовано для тренировочных упражнений и фитнеса. В этом случае оборудование работает преимущественно в активном режиме, оказывая сопротивление движению, выполняемому человеком, так что усилие будет более интенсивным и направленным, обеспечивая более быстрый и более эффективный результат.

[146] Во время разработки заявленного оборудования авторы настоящего изобретения провели несколько клинических испытаний и добились отличных результатов, повышая эффективность реабилитационных упражнений, с улучшением результатов лечения и с вовлечением пациентов в процессе лечения.

[147] В одном из клинических испытаний была оценена сила, траектория, скорость и точность движений 8 пациентов с травмами и последствиями инсульта, чтобы установить первоначальную ситуацию каждого случая и определить план реабилитации, который должен быть применен. Эти пациенты считаются хроническим в соответствии с обычными стандартами.

[148] Затем были сделаны 18 реабилитационных сессий с продолжительностью 1 час за каждый сеанс, причем каждый пациент выполнил между 690 и 900 доступных движений за сеанс с поврежденной конечностью. Эти движения порождают сгибание, разгибание, отведение и приведение плеча; сгибание и разгибание локти; сгибание, разгибание, отведение и приведение запястья; ипсилатеральные и контралатеральное движения.

[149] После 18 сеансов реабилитации была сделана новая оценка пациентов и было проверено улучшение двигательной и функциональной активности у пациентов с большим диапазоном движения плеча, локтя и запястья; улучшение в сгибании, разгибании, вращении кнутри и кнаружи, приведении конечности; траектория движений стала более точной, и улучшились показатели силы и скорости движения.

[150] Для целей информации следует отметить, что, если эти упражнения были выполнены физиотерапевтом, без использования изобретенного устройства, пациент сделал бы только 80-100 движений за сессию, что делает восстановление гораздо медленнее и менее эффективным.

[151] Еще один тест был применен для пациентов с хроническими травмами, для которых было трудно выполнить движения по вертикали против силы тяжести.

[152] Оборудование использовалось для оценки исходной и конечной ситуации пациентов и было также использовано для упражнений этих пациентов.

[153] Для выполнения упражнения, программное обеспечение виртуальной и / или дополненной реальности представляло сцену, чтобы забрать ингредиент на столе и поместить его в шкаф, повторяя упражнение для 4 других ингредиентов. Таким образом, каждый пациент должен был сделать движение по 5 различным траекториям в трехмерном пространстве.

[154] До упражнений с изобретенным оборудованием, пациенты не могли сделать вертикальное движение, чтобы поместить объект в шкаф, а после 18 сеансов реабилитации с оборудованием эти хронические пациенты могут получить ингредиенты на столе и поставить его в шкаф.

[155] Для облегчения просмотра этого типичного примера, применяемого к пациенту, на фиг. 23 показана проекция, в двумерной плоскости, движения трехмерного диапазона в каждой из пяти траекторий перед использованием изобретенного устройства, а фигура 24 показывает ту же самую проекцию этого движения с диапазоном в 5 траекторий после восстановительного лечения.

[156] Осматривая фиг. 23 и 24, можно видеть, что пациент успел выполнить движения с большей амплитудой и расширением после применения лечения двигательной реабилитации данного изобретения.

[157] Изобретенное устройство может решить проблемы современного состояния техники и внести свой вклад в расширение этой области знаний человека, представляя новый и оригинальный способ выполнения упражнения и терапевтических движений для двигательной реабилитации верхних и нижних конечностей и для подготовки и физической тренировки людей.

[158] Выполнение движений и упражнений в трехмерном пространстве, с подвесной конечностью, под действием гравитационных сил и с изогнутой траекторией, является большим преимуществом, потому что движения являются более сложными и интегрированными, они становятся очень похожи на те, которые осуществляет человек в его деятельности в повседневной жизни (ADLS), требуют большей мышечной активации, двигают большее количество мышечных групп и суставов конечности и создают большой стимул в мозге пациента, что обеспечивает более быстрое и эффективное восстановление способностей человека.

[159] Еще одно преимущество изобретенного оборудования связано с использованием программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности, которое имеет приятный игровой мотивирующий графический интерфейс, с играми, сценариями и среду с изображениями, цветами и звуками, в которых упражнения находятся в контексте игр, сценарий и виртуальных сред, которые очень похожи на ситуации повседневной жизни людей. Таким образом, пациент становится более мотивированным для того, чтобы выполнить упражнения, потому что он может понять полезность движения, чувствует себя более приверженным к своей собственной реабилитации или профессиональной подготовке, и происходит стимуляция когнитивной функции наряду с моторной.

[160] Еще одно преимущество заключается в том, что оборудование является компактным, легким, можно его легко носить с собой, оно не требует специальных средств для его установки и использования, потому что пациент может взять оборудование для своего дома и делать реабилитационные упражнения так часто, как может или хочет, что увеличивает скорость восстановления. Это справедливо и для случая, когда оборудование используется с целью улучшения физической подготовки, поскольку оно может быть размещено практически в любом месте, и пользователь может выполнять упражнения несколько раз в день.

[161] Возможность программирования программного обеспечения под индивидуальные потребности каждого пациента является еще одним преимуществом изобретенного оборудования, так как пациент взаимодействует с оборудованием и выполняет упражнения, запланированные для реабилитации. Таким образом, физиотерапевт контролирует упражнения и свободен для удовлетворения других пациентов в тот же период времени.

[162] Конфигурация системы зубчатых колес является еще одним преимуществом, так как это просто, компактно и функционально и позволяет реализовать движения и упражнения в трехмерном пространстве, используя только два мотора, что вносит свой вклад для того, чтобы оборудование быть компактным, легким, удобным для транспортировки, и кроме этого, заявленная конструкция снижает производственные затраты.

[163] Таким образом, изобретенное устройство помогает пациентам выполнить их упражнения реабилитации и помогает людям быстро достичь необходимой физической формы.

Claims

1. Оборудование для реабилитации движения верхних и нижних конечностей, включающее:

роботизированную руку, имеющую проксимальный конец роботизированной руки и оканчивающуюся дистальным концом роботизированной руки; указанная роботизированная рука включает больший стержень, имеющий длину в интервале по существу от 1 см до 100 см, и меньший стержень, имеющий длину в интервале по существу от 5 см до 50 см,

устройство для подключения, подключенное к дистальному концу роботизированной руки и выполненное с возможностью присоединения к дистальному концу верхней или нижней конечности;

систему зубчатых колес, функционально связанную с проксимальным концом роботизированной руки и включающую две противоположные шестерни, шестерню-сателлит и соединительный элемент;

два двигателя, функционально связанных с системой зубчатых колес, каждый из двух двигателей выполнен с возможностью напрямую приводить в движение одну из двух противоположных шестерней, и обе противоположные шестерни выполнены с возможностью приводить в движение шестерню-сателлит;

по меньшей мере один драйвер, электрически соединенный с двигателями;

программное обеспечение виртуальной или дополненной реальности;

систему контроля и управления, соединенную с по меньшей мере одним драйвером и программным обеспечением виртуальной или дополненной реальности;

экран, соединенный с программным обеспечением виртуальной или дополненной реальности;

отличающееся тем, что оборудование выполнено с возможностью движения роботизированной руки в трехмерном пространстве по криволинейным траекториям, и тем, что, когда только дистальный конец верхней или нижней конечности подсоединен к оборудованию, конечность подвешена в пространстве.

2. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что устройство для подключения имеет форму, выбираемую из группы: сферическая форма, или анатомическая форма, соответствующая пальцу или ладони, или рукоятка, или джойстик, или форма, пригодная для захвата рукой.

3. Оборудование по п.2, отличающееся тем, что устройство для подключения имеет шарообразную форму или анатомическую форму, соответствующую пальцам или ладони.

4. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что устройство для подключения оснащено датчиками, активируемыми пациентами для достижения эффекта в программном обеспечении виртуальной и/или дополненной реальности.

5. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что устройство для подключения имеет форму сферы, эллипсоида, пластины, педали, или формы, позволяющей подсоединять ногу.

6. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что соединение дистального конца верхней или нижней конечности пациента с устройством для подключения включает одно из липкой ленты, или ленты, имеющей застежку типа «крючки и петли».

7. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что устройство для подключения изготовлено из силикона, пластиков, полимеров, эластомеров, пен, дерева, металла.

8. Оборудование по п.7, отличающееся тем, что устройство для подключения включает покрытие поверхности, текстуру или рельеф.

9. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что устройство для подключения соединено с роботизированной рукой посредством одного из: системы подшипников, универсального шарнира или шарового шарнира.

10. Оборудование по п.1, в котором больший стержень и меньший стержень по существу прямые и соединены под углом друг к другу.

11. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что каждый из большего стержня и меньшего стержня имеют кривизну.

12. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что роботизированная рука изготовлена из силикона, пластиков, полимера, эластомера, пены, дерева или металлов.

13. Оборудование по п.12, отличающееся тем, что роботизированная рука имеет сердечник и покрытие поверхности, рельеф или текстуру.

14. Оборудование по п.13, отличающееся тем, что роботизированная рука имеет сердечник, сделанный из металла, и покрытие поверхности из пластика.

15. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что роботизированная рука прикреплена к шестерне-сателлиту.

16. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что каждая из двух противоположных передач соединена с одним из двух двигателей через полуось и/или втулку.

17. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что шестерня-сателлит соединена с соединительным элементом с помощью фиксирующего штифта и находится в перпендикулярной позиции по отношению к двум противоположным шестерням.

18. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что две противоположных шестерни и шестерня-сателлит являются коническими или полусферическими, имеют прямые или спиральные зубья, а также механизм для предотвращения мертвого хода или люфта.

19. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что соединительный элемент имеет форму многоугольной призмы или цилиндра, форму сферы или форму многогранника.

20. Оборудование по п.1, включающее редуктор, функционально связывающий одну из двух противоположных шестерней и один из двух двигателей.

21. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что крутящий момента двигателя составляет от 0,05 до 50 Н⋅м, а датчики положения электрически связаны с двигателями.

22. Оборудование п.1, отличающееся тем, что каждый из двигателей выровнен аксиально с одной из противоположных шестерней, или расположен перпендикулярно к одной из противоположных шестерен.

23. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что драйверы выполнены с возможностью получения логических сигналов от системы управления и контроля, преобразования этих сигналы в электрические сигналы и передачи указанных электрических сигналов двигателям.

24. Оборудование п.1, отличающееся тем, что программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности выполнено с возможностью отображать среду с фигурами, цветами, звуками для симуляции повседневной активности пациента; демонстрации движений пациента; демонстрации корректировок движения пациента; и может применяться одним или несколькими пациентами одновременно.

25. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что программное обеспечение виртуальной и/или дополненной реальности выполнено с возможностью взаимодействия с базой данных, сконфигурированной для хранения данных о движениях и упражнениях для двигательной реабилитации или о движениях и упражнениях для тренировки и фитнеса.

26. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что система управления и контроля выполнена с возможностью расчета траектории, силы и ускорения для выполнения пациентом при каждом движении; направления логических сигналов драйверам, получения обратной связи от драйверов, перерасчета траектории, силы и ускорения движения пациента в соответствии с полученной обратной связью; направления сигналов для коррекции движений пациента; направления логических сигналов программному обеспечению виртуальной и/или дополненной реальности для демонстрации скорректированных движений на экране.

27. Оборудование по п. 1, отличающееся тем, что имеет по меньшей мере один видеопорт стандарта, как USB, VGA, HDMI DVI, или других промышленных стандартов.

28. Оборудование по п. 1, включающее интерфейс для доступа человека, сконфигурированный для доступа к функциям контроля интерфейса устройства.

29. Оборудование по п.1, отличающееся тем, что его габариты позволяют транспортировку одним человеком и выполнено с возможностью функционирования без внешних установок.

30. Оборудование по п.1, включающее очки виртуальной и/или дополненной реальности для визуализации игр, сценариев и среды программного обеспечения виртуальной и/или дополненной реальности.