TWI778760B - 牽拉伸展系統 - Google Patents

Abstract

一種牽拉伸展系統可以踝關節當作旋轉中心，配合不同機構設計進行被動牽拉；除可自動化執行各種不同牽拉模式，甚至能進一步模擬出各種牽拉的手法，透過適當的拉動與放鬆，可達到改善血液循環、增加軟組織延伸性、鬆動關節並且避免組織攣縮等功效者。

Description

牽拉伸展系統

本發明是一種牽拉伸展系統，主要提供使用者的足部置放在踏板裝置上，可以一牽引裝置帶動踏板裝置沿著旋轉中心旋轉，使用者的足部、腿部得以牽拉伸展，達到下肢肌肉柔軟的設備者。

查，人體在長時間維持同一姿勢下容易造成肌肉緊繃，例如辦公室久坐者、工廠作業員、櫃台服務人員常因站姿或久站影響足部與下肢血液循環而引發痠痛、緊繃或肌肉僵硬。

為了改善上述的病灶，大多數的復健手段會使用拉筋板協助個案改善腿部疼痛、不舒服的症狀。然而，觀察目前的拉筋板為靜態牽拉效果較差，且大多數的牽拉裝置都是角度固定，或手動調整。且非以踝關節當作旋轉中心，因此在踏板角度改變時，會造成使用者下肢離地高度改變。也因此無法兩腳以不同角度牽拉，否則會使左右腳離地高度不一致，有摔倒的危害問題。

本發明之牽拉伸展系統即是要改善習用牽拉板的缺失，並且能達成下列功效：

1.利用牽引裝置無段式的帶動踏板裝置，讓使用者的足部、小腿肌肉以適當強度牽拉伸展，讓下肢肌肉、軟組織逐漸柔軟，減緩痠痛感與預防肌肉僵硬、抽筋，增加關節活動度。

2.本發明的設計可以使用者的踝關節為旋轉中心，有別於一般的拉筋板，可自動追蹤關節中心位置讓使用者保持身體的平衡，進一步能達到兩腳不同角度牽拉以因應使用者左右腳不同的牽拉需求。

3.本發明在使用中能產生不同頻率、不同強度、甚至是不同牽拉時間。

4.利用感測器偵測使用者下肢相關訊號，進而判斷出使用者踝關節最大的活動角度、或者最大被動臨界關節活動角度、或者最大牽拉角度、接著將前述的角度數據加以收集，提供使用者下一次牽拉時的數據依據。

5.利用前述感測裝置動態感知下肢狀態與學習系統來偵測使用者踝關節的旋轉中心位置，讓使用者在使用時能精確的以旋轉中心作動，保持踝關節骨突的空間位置不變。

6.利用前述感測器，進一步在牽拉伸展的過程中，模擬出本體感覺神經肌肉誘發術(以下簡稱PNF)，達到對使用者牽拉增加肌肉柔軟度消除肌肉疼痛，增加關節活動度。

7.本發明的整體機構體積適中，不占用過多空間，適合運用在各種類型的醫療院所。

8.有別於習用牽拉設備需要使用者迎合機構動作容易造成不舒服的情況；本發明的設計構造皆是由系統機構配合使用者，例如牽拉的角度、牽拉的引力、牽拉的動作等，讓使用者在使用時維持自然舒適的動作。

10:踏板裝置

11:腳踏板

12:多軸調整單元

13:底板

131:接合部

14:旋轉中心

15:拘束單元

16:延伸模組

17:感測器

20:牽引裝置

201:氣壓缸線性模組

2011:活動桿

2012:氣壓缸本體

202:前滑索機構

2021:前滑索

2022:前捲線機構

203:後滑索機構

2031:後滑索

2032:後捲線機構

204:皮帶輪機構

2041:驅動輪

2042:被驅動輪

205:弧形滑塊模組

2051:弧形性滑塊

2052:弧形滑槽

30:控制系統

40:固定單元

50:訊號源

60:外部偵測裝置

A:腳踝

圖1係本發明的系統方塊圖。

圖2係本發明結構立體示意圖。

圖3係本發明運用多軸調整單元校正踝關節位置的示意圖。

圖4是本發明運用多軸調整單元校正旋轉中心的使用狀態圖。

圖5是本發明延伸模組調整長度的使用示意圖。

圖6是本發明的使用狀態圖。

圖7是牽引裝置的第一實施例。

圖8是牽引裝置的第二實施例。

圖9是牽引裝置的第三實施例。

圖10是牽引裝置中轉軸的第二實施例。

圖11是本發明的使用狀態圖(二)。

圖12是牽引裝置中固定裝置的另一實施例。

圖13至圖18係本發明拉各種牽拉模式下的角度時間變化示意圖。

圖19係本發明的協助判定與設定最大牽拉角的步驟圖。

圖20係模擬PNF手段的步驟圖。

如圖1至圖7，本發明牽拉伸展系統，包含：一踏板裝置10、一牽引裝置20、一控制系統30與一固定單元40所構成。

如圖1至圖7，前述的踏板裝置10提供使用者足部放置，該踏板裝置10整體係由一腳踏板11、一多軸調整單元12、一底板13、一旋轉中心14、一拘束單元15、一延伸模組16及一感測器17所構成；前述的腳踏板11設置在該多軸調整單元12上端，該多軸調整單元12整體結構類似微型XYZ驅動平台(圖未繪出)，帶動放置在腳踏板11上的足部，透過該多軸調整單元12產生前、後、上、下、左、右、(X,Y,Z方向)相對底板13位移、或者當使用者有內八字、外八字、內翻、外翻的情況時，利用多軸調整單元12帶動使用者足部內轉、外旋、內翻或外翻，使得使用者的踝關節恰對齊於旋轉中心14；另外，該腳踏板11上更設有拘束單元15，讓使用者的足部固定在腳踏板11，而前述的拘束單元15上亦可設置感測器17。

如圖2至圖4，該多軸調整單元12固定在該底板13，該底板13兩端設有一接合部131，該旋轉中心14是設置在該接合部131；該踏板裝置10的該旋轉中心14與該固定單元40連接，使該踏板裝置10能以該旋轉中心14相對固定單元40旋轉。

如圖2至圖3、圖5所示，該牽引裝置20一端與該踏板裝置10連接，另一端與該固定單元40連接，透過該牽引裝置20帶動下使該踏板裝置10能以該旋轉中心14相對固定單元40旋轉，帶動踏板裝置上的使用者足部相對使用者腿部旋轉。

如圖1、圖2、圖6、圖11所示，該控制系統30與該牽引裝置20電性連接，該控制系統30令該牽引裝置20依程式執行足部牽拉伸展活動。進一步的該控制系統30用於執行復健參數所設定的復健活動，進一步配合該些感測器17的訊號回饋，進行牽拉角度的監測、牽拉時間的監測、鬆弛停留時間、療程次數等使用功能。另外，控制系統30配合感測器17、外部偵測系統60與一學習系統來偵 測使用者踝關節與旋轉中心14的相對位置，控制多軸調整裝置12，使踝關節以旋轉中心14轉動達到使用上可兩腳以不同角度牽拉時仍能保持平衡，避免摔倒的功效。

如圖2所示，該感測器17與該控制系統30電性連接，該感測器17所測得使用者足部狀態，訊號能回饋到該控制系統30。

如圖3至圖6所示，本發明的使用方式如下：使用者的足部置放於該踏板裝置10，利用該多軸調整單元12校準使用者的踝關節A與該旋轉中心14同一軸心上，該控制系統30利用程式控制該牽引裝置20，使得該踏板裝置10能透過該牽引裝置20帶動下以該旋轉中心14為固定支點旋轉，讓使用者的足部、腿部肌肉牽拉伸展，讓下肢肌肉、軟組織逐漸柔軟，減緩痠痛感與預防肌肉僵硬、抽筋，增加關節活動角度。

如圖5所示，由於使用者的足部大小皆不同，在某一些實施方式中，可透過該踏板裝置10上設置之延伸模組16，前述的延伸模組16能調整腳踏板11的長度適應使用者足部的長度。運作上可以如圖5所示，前足先以拘束單元15扣好後，再縮短延伸模組16讓足跟與檔板符合使用者足部大小；亦可以足跟先靠上檔板定位，再縮短延伸模組16，讓拘束單元15扣緊足部。

接著介紹牽引裝置20的可運用的實施例，如圖7所示，首先，牽引裝置20是一氣壓缸線性模組201，該氣壓缸線性模組201包含有一活動桿2011與一氣壓缸本體2012，前述的氣壓缸本體2012與一氣壓供應器連接，由該氣壓供應器提供氣體，前述的活動桿2011一端組合在該氣壓缸本體2012，另一端則連接在該踏板裝置10，當氣體流入或排出該氣壓缸本體2012時，能產生移動即可牽拉該踏 板裝置10一同活動，而活動桿2011的位置則為控制牽拉角度的大小。在本實施例中，氣壓缸線性模組201也能更換成油壓缸、電動缸設備。

如圖8所示，牽引裝置20是一前滑索機構202、一後滑索機構203，該前、後滑索機構202、203分別有一前、後滑索(2021、2031)、一前、後捲線器(2022、2032)，在使用時透過控制系統30控制該些牽引裝置20，如圖8表示出設置在踏板裝置10前捲線器2022捲收前滑索2021，而後捲線器2032放下後滑索2031，讓踏板裝置10以旋轉中心14為中心轉動，當前捲線器2022捲收前滑索2021越多，就會產生越大的牽拉角度；相反地前捲線器2022放下前滑索2021，而後捲線器2032捲收後滑索2031，就會減少牽拉角度。

如圖9所示，牽引裝置20是一皮帶輪機構204，在本實施例中，利用皮帶輪機構204包含有一驅動輪2041與一被驅動輪2042，驅動輪2041與固定單元40相連，被驅動輪2042與底板13固定相連，前述的驅動輪2041與被驅動輪2042是透過皮帶傳動，藉此，利用驅動輪2041帶動該被驅動輪2042動作，使得該踏板裝置10沿著旋轉中心14轉動。

如圖10所示，牽引裝置20機構具有滑動軌道的弧形滑塊模組205，該弧形滑塊模組205具有一弧形滑塊2051與底板13固定相連、一弧形滑槽2052，該弧形滑塊2051能在該弧形滑槽2052活動，又弧形滑槽2052的圓心恰吻對於旋轉中心14，使得該弧形滑塊模組2051與踏板裝置10以非實際轉軸的方式沿著該旋轉中心14轉動。

圖7至圖10為部分實施例，本發明不限制以相關之連桿機構、滑塊(slider)、伸縮桿、齒輪組、皮帶輪、滑輪裝置、或其組合以不同機構設計的方式建立實體或非實體之轉軸使踏板裝置10相對固定裝置40運動。

如圖11所示，踏板裝置10上設有感測使用者足部狀態的感測器17，感測器17是距離感測器、開關、荷重元、力敏電阻、角度編碼器、加速規、慣性感測器、或其組合延伸。

如圖11所示，在某一些實施方式中，包含有外部偵測裝置60，前述的外部偵測裝置60是用於偵測使用者在牽拉足部肌肉時產生的動作反應，進而判斷出肌肉是放鬆或出力，或是否到達最大的牽拉角度並產生對應的相關動作。

如圖11所示，外部偵測裝置60是肌電感應貼片偵測使用者下肢肌電狀態，藉以判斷出肌肉處於用力收縮或放鬆狀態或是攣縮狀態。

如圖11所示，外部偵測裝置60是攝影機、距離偵測器、毫米波雷達(mmWave)，立體視覺、飛時測距感測(ToF)，慣性感測器、或者結合上述之結構，該外部偵測裝置60用於抓取使用者下肢狀態與空間位置，進而判定出使用者踝關節A是否與旋轉中心14對位，判斷使用者足部牽拉是否達最大的角度，讓使用者的足部在合適的位置、角度內伸展。

如圖12所示，本實施例中固定裝置40是一包覆小腿部位的套筒，使用者將腿部穿入該固定裝置40，且足部放置於踏板裝置10上，再由牽引裝置20帶動腿部、足部牽引拉動放鬆腿部肌肉，使得腿部肌肉柔軟，在圖12的實施例，由於使該固定單元40與使用者腿部保持無相對運動，如此一來使用者能坐在沙發、椅子甚至是在床上皆可使用本發明的結構。

值得一提的是牽拉最大角度可由使用者或治療師設定、或預設、或提取先前設定值；本發明亦提供多種方式協助判斷使用者是否達最大背屈角度並設定最大牽拉角度：

1.感測器17該偵測使用者的足部受到該牽引裝置20帶動下角度增大使足部產生踏腳姿勢或者離開姿勢各該腳踏板11，若產生前述踮腳姿勢或離開姿勢則判定此為該踏板裝置之牽拉角度已達到該踝關節背屈最大角度。

2.當感測器17偵測到使用者因踏板裝置10帶動使用者腳掌作背屈運動時擺動到某角度時足底壓力突然快速增加或減少時，則判定該使用者踝關節接近足背屈最大被動牽拉臨界角度，

3.當踏板裝置10角度增加，但外部偵測裝置60偵測小腿、足部相對角度不變時，亦是達到最大被動臨界關節活動角度的判斷方式。

4.如圖1至圖11所示，該固定單元40可與地面連接，使該固定單元40與地面保持無相對運動，且可附加握把提供扶持(圖未繪出)、與保護帶以防後傾(圖未繪出)。附加元件(握把及保護帶)上可含感測裝置(例如：力感測器)，用來偵測使用者肢體狀態，判斷是否達到最大背屈角度。例如：當保護帶承受的力量過大時，即表示使用者可能呈現臀部後移的代償動作；或當握把承拉力過大時，即表示使用者可能呈現後仰的代償動作

由以上方式或其延伸或其組合，自動判斷使用者踝關節已達當次最大被動牽拉角度。基此時所屬踏板裝置10可暫停向背屈方向驅動，控制系統30並設定牽拉最大的角度。

運用上述的牽拉伸展系統，在控制系統30的帶動下可以衍生出多種牽拉伸展模式，牽引足部肌肉牽拉，且牽拉不僅限於一種模式，讓足部肌肉在牽拉後柔軟，舒緩下肢神經肌肉，增加關節活動度

如圖13所示，是本發明牽拉模式的動作圖，圖13中所揭露的技術為拉-停-放模式；首先，橫向坐標軸代表著牽拉時間，縱向坐標軸代表轉動的角 度，因此，牽引裝置20先拉動該踏板裝置10，使得踏板裝置10帶動使用者的足部牽拉，逐步增加牽拉角度，直到設定的牽拉角度後，逐漸減少增加牽拉角度，達到牽拉軟織或鬆動關節的功效。

如圖14所示，其由圖13所延伸的方式，除了拉-停-放的動作外，更延長停的時間，換言之到達設定的牽拉角度維持一段時間後，再放開足部，達到牽拉的功效。

如圖15所示，其揭露的技術為間歇拉伸模式，其由圖14所延伸而來之循環模式，間隔一段休息時間後重複圖14的動作，即可達到自動牽拉、牽引足部肌肉、鬆動關節的效果。

如圖16所示，其揭露的技術為拉-震動-放模式，圖中的H1指的是最大角度值，H2指的是次大角度值，控制系統30下達驅動訊號給該牽引裝置20在短時間內帶動該踏板裝置10快速的擺動(模擬震動)，達到牽拉肌肉的功效。

如圖17所示，其揭露的技術則是延伸圖15的循環模式所技術，間隔一段休息時間後重複圖16的動作，即可達到自動牽拉、牽引足部肌肉的效果。讓足部逐漸柔軟，緩解因久站、長時間維持同一姿勢造成的下肢痠痛情況。

如圖18所示，其揭露的技術為漸進式牽拉模式，依據時間逐漸增加樞轉角度，直至當下的極限背屈角度(例如，偵測到使用者感受不適讓足部產生踮腳姿勢、或者足部離開腳踏板11，其上的感測器17則可判讀已經到達踝關節極限背屈角度)進而停止牽拉動作，並逐漸退縮到非極限角度。然後再次增加樞轉角度直至當下的極限背屈角度，進而停止牽拉動作，並逐漸退縮到非極限角度。而本發明的系統就依照牽拉到當下極限背屈與退回非極限角度之間來回牽拉伸展，增加關節活動度。

進一步而言，牽拉模式可由上述模式組合與延伸。

如圖19所示，更詳細介紹本發明的某一自動偵測最大牽拉角度的運作方式：

步驟1：使用者將腳掌放入踏板裝置10的腳踏板11，並可利用拘束單元15固定腳掌或足部。在此階段，該感測器17偵測到使用者的足部確實放置腳踏板11。

步驟2：若需調整踝關節與旋轉中心14對位，可請使用者站好保持不動，踏板裝置10稍微上下擺動，由治療師觀察或外部偵測裝置60量測小腿位置是否上下前後位移、外內旋轉，若有則踝關節中心A與旋轉中心14對位不良，手動或由控制系統30調整多軸調整裝置12使小腿位移與旋轉減少；直到踝關節A與旋轉中心14吻合或小腿位移與旋轉在可接受範圍內，踏板裝置10停止上擺動並回到水平位置，此時設定為初始狀態(初始值)。此外，控制系統30更有一手動開關給使用者操控，提供使用者自行決定最大牽拉角度與用於緊急停止復健牽拉活動；或重覆進行以下步驟由系統中的感測器17或外部偵測裝置60協助完成最大牽拉角度設定。

步驟3：該控制系統30的語音提示單元產生提示：本設備將於3秒後啟動，該踏板裝置10受到牽引裝置20動作向背屈運動方向牽拉使用者的下肢後側的肌群，同時該感測器17偵測使用者足部與腳掌背的訊號、外部偵測裝置60則偵測使用者的肌電訊號、足部擺動角度、使用者使用的姿勢。若設置在踏板裝置10的感測器17偵測到使用者的足部離開腳踏板11或有產生踮腳姿勢(有異常)，就會判斷以達到該踝關節背屈最大角度，停止該踝關節所屬之背屈方向， 並稍微退回讓使用者重新站上腳踏板11，並設定此時踏板裝置10之角度為最大牽拉角度。

步驟4：感測器17測到使用者因進行背屈方向運動到某角度時足底壓力突然快速增加或減少(有異常)，則判定該踝關節接近足背屈臨界角度，此時會暫停向背屈方向驅動，並稍微退縮到足底壓力正常狀態，設定此時踏板裝置10之角度為最大牽拉角度。

步驟5：當踏板裝置10角度增加，但外部偵測裝置60偵測小腿、足部之間角度不變時，則判定該踝關節接近足背屈臨界角度，此時會暫停向背屈方向驅動，並稍微退縮到最開始小腿、足部角度不變時的踏板裝置10角度，設定此時踏板裝置10之角度為最大牽拉角度。

實際實施時，可依所使用之感測方式，選擇步驟3、4、或5搭配實施，而步驟3、4、5之順序可前後改變，並不影響其功能。

進一步的若要模擬出PNF的牽拉手段，則使用方式如圖20所示：

1.當要進行模擬PNF收縮-放鬆法：在牽拉腿後肌的過程中，踏板裝置10受到牽引裝置20帶動而牽拉足部到達最大牽拉角度或自我感覺緊繃的角度之後保持此時角度並讓使用者自行出力將腳掌背朝上勾作背屈運動，持續一段時間後放鬆，在放鬆後嘗試再次調高踏板裝置10之角度，如此重覆，直到最大牽拉角度不再增加。控制系統30可透過一語音提示單元或者視覺提示的方式產生提示，例如：「腳底向上勾，用力用力」，該感測器17即偵測壓力值，並回溯信號給控制系統30，當使用者前足壓力減少或後足壓力增加並維持一段時間後，由該語音提示單元產生：「不用勾了，肌肉(腳)放鬆」協助執行。

2.當要進行模擬PNF固定-放鬆法：在牽拉腿後肌的過程中，踏板裝置10受到牽引裝置20帶動而牽拉足部到達最大牽拉角度或自我感覺緊繃的角度之後保持此時角度並讓使用者自行出力準備做出踏腳動作、以腳跟不離開腳踏板11為原則，持續一段時間後放鬆，可將踏板裝置10利用牽引裝置20將角度調高至下一個牽拉最大角度，如此重覆，直到最大牽拉角度不再增加。此模式可由控制系統30可透過一語音提示單元或者視覺提示的方式產生提示，例如：「腳前向下踩踏，用力用力」，該感測器17即偵測壓力值，並回溯信號給控制系統30，當使用者前足壓力增加或後足壓減少並維持一段時間後，此時透過感測器17，並由該語音提示單元產生：「不用踩了，肌肉(腳)放鬆」協助執行。

3.當要進行模擬PNF緩慢反轉-固定-放鬆法：則將上述兩種運動模式加以結合交替以增加牽拉伸展的功效。

在本發明的使用方式中，控制系統30記錄分析使用者牽拉狀況與參數，更可連接手機、雲端。

綜上所述，本發明構成結構均未曾見於諸書刊或公開使用，誠符合發明專利申請要件，懇請 鈞局明鑑，早日准予專利，至為感禱。

10:踏板裝置

20:牽引裝置

30:控制系統

40:固定單元

Claims (9)

1. 一種牽拉伸展系統，包含：一踏板裝置、一固定單元、一牽引裝置與一控制系統；該踏板裝置提供使用者足部放置，並設有一旋轉中心與一感測器；該固定單元與該踏板裝置連接，使該踏板裝置能以該旋轉中心旋轉；該牽引裝置與該踏板裝置連接，可產生動力帶動該踏板裝置旋轉，帶動牽拉使用者足部相對使用者腿部旋轉；該控制系統與該牽引裝置電性連接，該控制系統令該牽引裝置依程式執行足部牽拉伸展活動；該感測器與該控制系統電性連接，該感測器所測得使用者足部狀態的訊號能回饋到該控制系統；其中，該感測器可測量使用者的足部踩踏態狀態、下肢關節角度、下肢關節位置、足底壓力變化、牽拉時間、鬆弛停留時間或牽拉次數。
2. 如請求項1所述之牽拉伸展系統，該踏板裝置包括：一腳踏板、一底板、一多軸調整單元；該腳踏板設置在該多軸調整單元上端，並可與使用者足部接觸；該底板對應該旋轉中心；該多軸調整單元固定在該底板上端，可調整該腳踏板與該底板的相對位置與相對夾角，將使用者的踝關節恰對齊於該踏板裝置的該旋轉中心。
3. 如請求項1或2所述之牽拉伸展系統，更包含：一訊號源； 該訊號源與該控制系統電性連接，使用者可由該訊號源即時控制該控制系統且使用者可由該訊號源設定踝關節最大的活動角度或緊急停止牽拉活動。
4. 如請求項1或2所述之牽拉伸展系統，更包含：一外部偵測裝置；該外部偵測裝置與該控制系統電性連接，該外部偵測裝置所測得使用者下肢狀態的訊號能回饋到該控制系統。
5. 如請求項4所述之牽拉伸展系統，其中，該外部偵測裝置可偵測使用者在牽拉足部肌肉時產生的動作反應或偵測使用者下肢肌電狀態，或下肢動作狀態，包括下肢位置、下肢肢段位移、下肢旋轉角度、下肢關節角度、下肢關節位置。
6. 如請求項1或2所述之牽拉伸展系統，其中，該控制系統具有牽拉模式，包含：拉-停-放模式、拉-震動-放模式、間歇拉伸模式、循環模式、進拉伸模式、模擬PNF牽引手法、或其組合。
7. 如請求項1或2所述之牽拉伸展系統，其中，該控制系統具有語音提示功能與視覺提示功能，引導使用者操作該控制系統或引導使用者以正確方法伸展。
8. 如請求項1或2所述之牽拉伸展系統，該控制系統記錄分析使用者牽拉狀況與參數，更可連接手機、雲端。
9. 如請求項1或2所述之牽拉伸展系統，其中，該固定單元可與地面連接，使該固定單元與地面保持無相對運動，且可附加握把與保護帶，該固定單元或可與使用者腿部固定連接，使該固定單元與使用者小腿部保持無相對運動。

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