雙向柔性的膝關節主-被動康復訓練裝置的製作方法

2023-05-20 17:53:41

專利名稱：雙向柔性的膝關節主-被動康復訓練裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於可應用於膝關節損傷患者手術後進行康復訓練的關節康復訓練裝置，特別是一種雙向柔性的膝關節主-被動康復訓練裝置。
背景技術：
膝關節是人體中承擔支承和運動功能的重要關節。如果膝關節在發生損傷或醫療 手術後的康復期內不能及時得到有效的鍛鍊，則極易造成膝關節部位的粘連和肌肉萎縮， 從而大大限制膝關節的運動能力，嚴重的甚至會造成關節部分功能的永久缺損。因此，現代 康復醫學認為，術後及時對膝關節進行適度、有效的康復鍛鍊，對恢復膝關節功能具有非常 重要的作用。目前已有不少關於關節康復器械的專利申請，例如美國專利US6325770B1和 US6221033B1、中國專利200410006254. 0等。市場上關節康復訓練器的種類也比較多(一 般稱為CPM機，Continuous Passive Motion)，但它們的工作原理都是持續被動運動理論， 基本上都採用了電機+機械傳動機構的基本結構。這種CPM機的缺點在於它們一般只能 對患者提供被動運動的康復訓練，即由電機帶動機械傳動機構運動，從而帶動患者肢體運 動。隨著康復醫學技術的發展，越來越多的醫學專家認為，簡單的持續被動訓練過多地關注 於對關節靈活性的鍛鍊，而沒有對與關節關聯的肌肉和韌帶進行必要的拉伸鍛鍊，大大影 響了患肢康復的效果。越來越多的醫學專家強調，被動的CPM訓練必須與患者的主動訓練 相結合，因此迫切需要一種能夠提供主動-被動兩種不同訓練方式的關節康復訓練裝置。 另一方面，傳統CPM機由於是機械剛性聯接，若施力不當或運動範圍超過患者關節所能承 受的動作範圍時，則極易對關節造成二次傷害，因此迫切需要一種施加力度可調的、具有良 好柔順性的關節康復訓練裝置。為了解決傳統CPM機存在的上述問題，技術人員進行了相關的研究，如中國專利 申請200910031938. 9與200410077721. 9等。但這些研究仍然沒有很好地全部解決傳統CPM 機存在的兩大主要問題。例如中國專利200910031938. 9中提出了一種雙出軸主被動上下 肢康復訓練機構，利用磁流變阻尼器可提供主動康復訓練中的阻尼力，實現了關節的主動 訓練，解決了康復訓練不同階段對主-被動訓練的不同要求，但它仍然是利用電機作為康 復訓練的動力源，仍然沒有避免電機+機械傳動機構的剛性結構，所以仍然存在安全性差 的問題；中國專利200410077721. 9提出了一種利用Mckibben型氣動肌肉的氣動式下肢康 復裝置，由於利用了氣動肌肉具有柔順性的特點，使得該康復裝置具有較好的柔順性和安 全性，但這種康復裝置仍然只能對患者實施被動訓練，無法滿足主動訓練的要求。同時，由 於Mckibben型氣動肌肉的有效行程較短，使得該康復訓練裝置所能提供的訓練角度較小， 無法實現膝關節康復訓練中的大角度運動。

發明內容
本發明的目的在於提供一種可適用於膝關節損傷患者術後進行康復訓練的器械，該康復訓練器械具有屈膝-伸膝雙向柔順性的特點，並可根據患者的康復進程提供被動訓練、主動訓練等多種不同的訓練方式，且具有施加力可調、最大訓練轉動角度可調，主動訓 練階段阻尼力智能控制等特點。實現本發明目的的技術解決方案為一種雙向柔性的膝關節主_被動康復訓練裝 置，包括直線驅動單元、下肢託架單元以及控制單元，其中，直線驅動單元包括底板、無杆氣 缸、無杆氣缸的滑臺、第一充氣伸長型氣動柔性驅動器和第二充氣伸長型氣動柔性驅動器、 導杆、固定支架、聯接件、可移動支架、滑動副；下肢託架單元包括大腿杆、大腿託板、小腿 杆、小腿託板、腳託架、聯接杆、T型連接件、L型杆、第一調節裝置和第二調節裝置；控制單 元包括角度位移傳感器、力傳感器、位移傳感器和控制器；在無杆氣缸滑臺上沿無杆氣缸行程方向的兩側邊緣處對稱安裝有兩個固定支架， 兩個固定支架之間沿無杆氣缸行程方向安裝有導杆，導杆的軸線與無杆氣缸的活塞的軸線 平行，在導杆上依次安裝有第二充氣伸長型氣動柔性驅動器、可移動支架和第一充氣伸長 型氣動柔性驅動器；第二充氣伸長型氣動柔性驅動器連接有管接頭的一側的端蓋與一個固 定支架固聯，第一充氣伸長型氣動柔性驅動器連接有管接頭的一側的端蓋與另一個固定支 架固聯，第一充氣伸長型氣動柔性驅動器和第二充氣伸長型氣動柔性驅動器管道封閉的一 側的端蓋分別與可移動支架固聯；兩個固定支架上分別安裝有聯接件；兩對滑動副對稱放 置在無杆氣缸滑臺沿無杆氣缸行程方向的中心線的兩側，且滑動副的滑動方向與無杆氣缸 活塞的行程方向平行；每對滑動副由杆件和滑塊組成，該杆件的兩端分別固定在兩個聯接 件上，該滑塊固定在可移動支架上，該可移動支架在與無杆氣缸行程方向垂直的方向的兩 側分別固聯有T型連接件，該兩個T型連接件上各自聯接有小腿杆，兩個小腿杆之間聯接有 聯接杆，聯接杆上安裝有腳託架，無杆氣缸固定在底板上，兩個L型杆分別固定在底板的兩 側；兩個小腿杆和聯接杆之間設有可調節杆件長度的第一調節裝置，兩個L型杆上設有可 調節杆件長度的第二調節裝置；可移動支架與T型連接件之間、小腿杆與大腿杆之間以及 大腿杆與L型杆之間構成轉動副；角度傳感器安裝在大腿杆和與小腿杆之間的轉動副處， 並與該轉動副同心；力傳感器和位移傳感器安裝在無杆氣缸的滑臺上。本發明與現有技術相比，其顯著優點(1)可根據患者的康復程度，方便地實現膝 關節被動訓練和主動訓練等多種康復訓練模式，並且施力(包括被動訓練中帶動患膝運動 的驅動力和主動訓練中設置的訓練阻尼力)無級可調、訓練角度無級可調；(2)由於採用了 雙氣動柔性驅動器，使得本發明具有雙向柔順的特點；(3)採用了無杆氣缸和雙氣動柔性 驅動器複合的驅動技術，解決了氣動肌肉行程小、訓練角度難以滿足康復訓練要求的技術 難題；(4)可實現訓練過程中施加力的智能控制。下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。


圖1為本發明雙向柔性的膝關節主_被動康復訓練裝置的總體結構示意圖。圖2為本發明的E向局部放大示意圖。圖3為本發明力傳感器和位移傳感器放置位置的示意圖。圖4為本發明被動訓練方式下的動作原理圖。圖5為本發明主動訓練方式下的動作原理圖。
具體實施例方式
本發明雙向柔性的膝關節主-被動康復訓練裝置，包括直線驅動單元、下肢託架 單元以及控制單元。其中，直線驅動單元包括底板1、無杆氣缸2、無杆氣缸的滑臺3、第一 充氣伸長型氣動柔性驅動器4和第二充氣伸長型氣動柔性驅動器6、導杆5、固定支架7、聯 接件8、可移動支架9、滑動副10 ；下肢託架單元包括大腿杆11、大腿託板12、小腿杆13、小 腿託板14、腳託架15、聯接杆16、T型連接件17、L型杆18、第一調節裝置19和第二調節裝 置20 ；控制單元包括角度位移傳感器21、力傳感器22、位移傳感器23和控制器(圖中沒有 表示，可以市購或者通過常規計算機編程實現控制)。無杆氣缸2固定在底板1上，在無杆 氣缸滑臺3上沿無杆氣缸2行程方向的兩側邊緣處對稱安裝有兩個固定支架7，兩個固定支 架7之間沿無杆氣缸2行程方向安裝有導杆5，該導杆5的軸線與無杆氣缸2活塞的軸線平 行，導杆5上從L(圖2、圖3的左邊)向R(圖2、圖3的右邊)方向依次安裝有第二充氣伸 長型氣動柔性驅動器6、可移動支架9和第一充氣伸長型氣動柔性驅動器4。其中，第一充 氣伸長型氣動柔性驅動器4和第二充氣伸長型氣動柔性驅動器6為相同的兩個部件，由初 始截面形狀為扁平狀的、外圓周包覆加強網的橡膠管經螺旋卷繞形成，橡膠管的一端設有 管接頭，另一端為封閉端，橡膠管的內腔構成充氣伸長型氣動柔性驅動器的工作腔，充氣後 在軸向方向上膨脹產生位移。第一充氣伸長型氣動柔性驅動器4和第二充氣伸長型氣動柔 性驅動器6的具體內容在作為與本發明同時遞交的另一件專利申請中詳細說明。第一充氣 伸長型氣動柔性驅動器4和第二充氣伸長型氣動柔性驅動器6連接有管接頭的一側的端蓋 分別與兩個固定支架7固聯，第一充氣伸長型氣動柔性驅動器4和第二充氣伸長型氣動柔 性驅動器6管道封閉的一側的端蓋分別與可移動支架9中間位置設計出的兩個凸緣進行固 聯。兩個固定支架7上分別安裝有兩個聯接件8。兩對滑動副10對稱放置在無杆氣缸滑 臺3沿無杆氣缸2行程方向的中心線的兩側，且滑動副10的滑動方向與無杆氣缸2活塞的 行程方向平行。滑動副10由杆件和滑塊組成，滑動副10中的杆件的兩端分別固定在兩個 聯接件8上，滑動副10中的滑塊則固定在可移動支架9上。當無杆氣缸滑臺3或第一充氣 伸長型氣動柔性驅動器4 (或第二充氣伸長型氣動柔性驅動器6)動作產生位移時，即可帶 動可移動支架9產生軸向位移。可移動支架9在與無杆氣缸2行程方向垂直的方向的兩側 分別固聯有T型連接件17，兩個T型連接件17上各自聯接有小腿杆13，兩個小腿杆13之 間聯接有聯接杆16，聯接杆16上安裝有腳託架15，兩個小腿杆13和聯接杆16之間分別設 計有可調節杆件長度的第一調節裝置19，兩個小腿杆13之間設有材質柔軟的小腿託板14。 兩個大腿杆11之間設有材質柔軟的大腿託板12，兩個L型杆18分別固定在底板1的兩側， 並分別設計有可調節杆件長度的第二調節裝置20。可移動支架9與T型連接件17之間、小 腿杆13與大腿杆11之間以及大腿杆11與L型杆18之間構成轉動副。因此，可移動支架 9、T型連接件17、小腿杆13、大腿杆11構成了曲柄滑塊機構。進一步，角度傳感器21安裝 在大腿杆11和與小腿杆13之間的轉動副處，並與該轉動副同心；力傳感器22和位移傳感 器23安裝在無杆氣缸的滑臺3上。該雙向柔性的膝關節主_被動康復訓練裝置可通過控 制器控制供氣壓力、供氣方向和供氣流量實現對膝關節康復訓練中的被動訓練和主動訓練 等多種不同的訓練方式，並具有屈膝-伸膝雙向柔順、最大訓練轉動角度可調、被動訓練中 的驅動力可控、主動訓練中的阻尼力可控等特點。
下面結合附圖1 5說明本發明的
具體實施例方式一、被動訓練方式(1)被動訓練準備階段患者在準備進行膝關節被動訓練時，首先取仰臥位，並將需訓練的下肢置於雙向 柔性的膝關節主_被動康復訓練裝置的大腿託板和小腿託板上，腳置於腳託架上。通過第 一調節裝置19和第二調節裝置20，調節康復訓練裝置杆件的長度以適應不同身高的康復 訓練對象。利用固定繃帶將大腿和小腿固定在託板上。此時，向無杆氣缸2的P2孔供氣， 使無杆氣缸滑臺3處於圖1所示視圖方向的無杆氣缸2最右端，同時，向第二充氣伸長型氣 動柔性驅動器6供氣，使之處於伸長的狀態，第一充氣伸長型氣動柔性驅動器4的氣孔通大 氣，為最大收縮狀態。可移動支架處於圖4所示的A點位置。此時，大腿杆與小腿杆處於同 一直線方向。患者下肢處於伸展狀態。(2)被動訓練第一階段被動訓練第一階段為氣缸驅動的膝關節屈膝被動訓練階段。在該階段，第二充氣 伸長型氣動柔性驅動器6和第一充氣伸長型氣動柔性驅動器4保持被動訓練準備階段中各 自的狀態不變，即第二充氣伸長型氣動柔性驅動器6處於充氣伸長狀態，第一充氣伸長型 氣動柔性驅動器4處於非充氣的最大收縮狀態，與可移動支架之間沒有相對位移。此時，無 杆氣缸2右邊氣孔Pl進氣，左邊氣孔P2排氣，無杆氣缸的滑臺3向左運動，帶動其上的固 定支架、導杆、第二充氣伸長型氣動柔性驅動器6和第一充氣伸長型氣動柔性驅動器4、可 移動支架、滑動副等一起向左運動。由前可知，可移動支架、T型連接件、小腿杆、大腿杆構 成了曲柄滑塊機構，當可移動支架向左運動時，帶動T型連接件進而帶動小腿杆和大腿杆 做相應的轉動，實現膝關節的彎曲運動。這一訓練過程的末端如圖4中粗實線所示，可移動 支架運動至B點位置。在這一過程中，通過控制器控制氣缸的供氣壓力和供氣流量，可以控 制被動訓練的施力大小和運動速度大小。通過控制器控制無杆氣缸的行程，可以控制膝關 節的訓練角度。(3)被動訓練第二階段被動訓練第二階段為氣動柔性驅動器驅動的膝關節屈膝被動訓練階段。在膝關節 康復訓練末端的5°左右的角度行程範圍內，由氣動柔性驅動器驅動進行膝關節被動訓練。 此時，無杆氣缸2兩腔同時供氣，使無杆氣缸滑臺3停止在被動訓練第一階段的末了位置。 同時，對第一充氣伸長型氣動柔性驅動器4供氣、第二充氣伸長型氣動柔性驅動器6排氣， 在第一充氣伸長型氣動柔性驅動器4的作用下，推動可移動支架繼續向左移動，進而帶動T 型連接件、小腿杆和大腿杆繼續做相應的轉動，實現氣動柔性驅動器驅動的膝關節彎曲運 動。在這一訓練過程中，可移動支架由圖4中的B點運動至C點。通過控制器控制氣動柔 性驅動器的供氣壓力可以控制該階段的施力大小。由於氣動柔性驅動器所具有的良好柔順 性，可保證膝關節屈膝訓練末端的柔順安全性。(4)被動訓練第三階段被動訓練第三階段為氣動柔性驅動器驅動的膝關節被動訓練的伸展回復階段。在 這一階段，保持無杆氣缸2兩腔的供氣，即保持氣缸滑臺3不動，同時，第一充氣伸長型氣動 柔性驅動器4排氣使之收縮回復至初始狀態，對第二充氣伸長型氣動柔性驅動器6供氣使 之伸長產生向右的位移，可移動支架由C點向右運動至B點。由於這一過程是由氣動柔性驅動器驅動的，所以具有良好的柔順性。(5)被動訓練第四階段被動訓練第四階段為氣缸驅動的膝關節被動訓練的伸展回復階段。保持第二充氣 伸長型氣動柔性驅動器6供氣和第一充氣伸長型氣動柔性驅動器4排氣的狀態不變，改變 無杆氣缸2的供排氣狀態為左邊的氣孔P2供氣，右邊的氣孔Pl排氣，此時氣缸滑臺3向右 運動，帶動其上的固定支架、導杆、第二充氣伸長型氣動柔性驅動器6和第一充氣伸長型氣 動柔性驅動器4、可移動支架、滑動副等一起向右運動，進而帶動T型連接件、小腿杆和大腿 杆做相應的轉動，實現膝關節的伸展回復運動。最終，可移動支架運動至A點，患者下肢回 復到初始的伸展狀態。至此，康復被動訓練的一個循環周期結束。重複上述被動訓練第一 第四階段，便可得到循環往復的被動訓練。二、主動訓練方式(1)主動訓練準備階段與被動訓練準備階段相同，患者下肢置於大腿託板和小腿託板上，腳置於腳託架 上。通過第一調節裝置19和第二調節裝置20，調節康復訓練裝置杆件的長度以適應不同身 高的康復訓練對象。利用固定繃帶將大腿和小腿固定在託板上。此時，向無杆氣缸2的P2 孔供氣，使無杆氣缸的滑臺3處於圖1所示視圖方向的無杆氣缸2最右端，同時，向第二充 氣伸長型氣動柔性驅動器6供氣使之處於伸長的狀態，充氣伸長型第一充氣伸長型氣動柔 性驅動器4的氣孔通大氣，為最大收縮狀態。可移動支架處於圖5所示的A點位置。此時， 大腿杆與小腿杆處於同一直線方向，患者下肢處於伸展狀態。在主動訓練階段，無杆氣缸2 的兩腔迴路上分別設置了氣動比例流量閥。(2)主動訓練第一階段該階段為膝關節屈膝主動訓練階段。首先，保持主動訓練準備階段中無杆氣缸和 各氣動柔性驅動器的供/排氣狀態不變，由進行主動訓練的下肢向下施加壓力壓縮第二充 氣伸長型氣動柔性驅動器6，並通過力傳感器檢測這一主動施加的力的大小。此時，第二充 氣伸長型氣動柔性驅動器6被壓縮一定的長度，可移動支架由A點運動至D點，患者下肢進 行了初始的小角度彎曲。此後，改變無杆氣缸2的P2孔的供/排氣狀態，使之由準備階段 的供氣狀態變為排氣狀態，同時，將前面檢測出的力信號傳遞給控制器，在一定的控制策略 下，控制無杆氣缸2兩腔氣路上的氣動比例流量閥的開度大小，以控制主動訓練屈膝運動 的阻尼力。這一訓練過程為人體下肢主動施力克服氣缸的阻力，通過小腿杆、T型連接件、 可移動支架，帶動氣缸滑臺向左運動至某一點，例如，運動至圖5中所示的E點。(3)主動訓練第二階段該階段為膝關節主動訓練的伸展回復階段。首先，改變兩個氣動柔性驅動器的供 /排氣狀態，使第二充氣伸長型氣動柔性驅動器6排氣、第一充氣伸長型氣動柔性驅動器4 供氣。這一階段的運動初始點為圖5中的E』點(E』點比E點稍微偏左，這主要是由於第一 充氣伸長型氣動柔性驅動器4和第二充氣伸長型氣動柔性驅動器6的供/排氣狀態發生變 化所致)。由患者下肢向前施加壓力壓縮第一充氣伸長型氣動柔性驅動器4，並通過力傳感 器檢測這一主動施加的力的大小。同時，將這一檢測信號傳遞給控制器，在一定的控制策略 下，控制氣缸兩腔氣路上的氣動比例流量閥的開度大小，以控制主動訓練伸展運動的阻尼 力。這一訓練過程為人體下肢主動施力克服氣缸的阻力，通過小腿杆、T型連接件、可移動支架，帶動氣缸滑臺向右運動直至A點，下肢回復到完全伸展的初始狀態。 重複上述主動訓練第一、第二階段，便可得到循環往復的主動訓練。
權利要求
一種雙向柔性的膝關節主-被動康復訓練裝置，其特徵在於包括直線驅動單元、下肢託架單元以及控制單元，其中，直線驅動單元包括底板[1]、無杆氣缸[2]、無杆氣缸的滑臺[3]、第一充氣伸長型氣動柔性驅動器[4]和第二充氣伸長型氣動柔性驅動器[6]、導杆[5]、固定支架[7]、聯接件[8]、可移動支架[9]、滑動副[10]；下肢託架單元包括大腿杆[11]、大腿託板[12]、小腿杆[13]、小腿託板[14]、腳託架[15]、聯接杆[16]、T型連接件[17]、L型杆[18]、第一調節裝置[19]和第二調節裝置[20]；控制單元包括角度位移傳感器[21]、力傳感器[22]、位移傳感器[23]和控制器；在無杆氣缸滑臺[3]上沿無杆氣缸[2]行程方向的兩側邊緣處對稱安裝有兩個固定支架[7]，兩個固定支架[7]之間沿無杆氣缸[2]行程方向安裝有導杆[5]，導杆[5]的軸線與無杆氣缸[2]的活塞的軸線平行，在導杆[5]上依次安裝有第二充氣伸長型氣動柔性驅動器[6]、可移動支架[9]和第一充氣伸長型氣動柔性驅動器[4]；第二充氣伸長型氣動柔性驅動器[6]連接有管接頭的一側的端蓋與一個固定支架[7]固聯，第一充氣伸長型氣動柔性驅動器[4]連接有管接頭的一側的端蓋與另一個固定支架[7]固聯，第一充氣伸長型氣動柔性驅動器[4]和第二充氣伸長型氣動柔性驅動器[6]管道封閉的一側的端蓋分別與可移動支架[9]固聯；兩個固定支架[7]上分別安裝有聯接件[8]；兩對滑動副[10]對稱放置在無杆氣缸滑臺[3]沿無杆氣缸[2]行程方向的中心線的兩側，且滑動副[10]的滑動方向與無杆氣缸[2]活塞的行程方向平行；每對滑動副[10]由杆件和滑塊組成，該杆件的兩端分別固定在兩個聯接件[8]上，該滑塊固定在可移動支架[9]上，該可移動支架[9]在與無杆氣缸[2]行程方向垂直的方向的兩側分別固聯有T型連接件[17]，該兩個T型連接件[17]上各自聯接有小腿杆[13]，兩個小腿杆[13]之間聯接有聯接杆[16]，聯接杆[16]上安裝有腳託架[15]，無杆氣缸[2]固定在底板[1]上，兩個L型杆[18]分別固定在底板[1]的兩側；兩個小腿杆[13]和聯接杆[16]之間設有可調節杆件長度的第一調節裝置[19]，兩個L型杆[18]上設有可調節杆件長度的第二調節裝置[20]；可移動支架[9]與T型連接件[17]之間、小腿杆[13]與大腿杆[11]之間以及大腿杆[11]與L型杆[18]之間構成轉動副；角度傳感器[21]安裝在大腿杆[11]和與小腿杆[13]之間的轉動副處，並與該轉動副同心；力傳感器[22]和位移傳感器[23]安裝在無杆氣缸的滑臺[3]上。
2.根據權利要求1所述的雙向柔性的膝關節主-被動康復訓練裝置，其特徵在於第 一充氣伸長型氣動柔性驅動器[4]和第二充氣伸長型氣動柔性驅動器[6]為相同的兩個部 件，由初始截面形狀為扁平狀的、外圓周包覆加強網的橡膠管經螺旋卷繞形成，橡膠管的一 端設有管接頭，另一端為封閉端，橡膠管的內腔構成充氣伸長型氣動柔性驅動器的工作腔， 充氣後在軸向方向上膨脹產生位移。
全文摘要
本發明公開了一種雙向柔性的膝關節主-被動康復訓練裝置，包括直線驅動單元、下肢託架單元以及控制單元，其中，直線驅動單元包括底板、無杆氣缸、無杆氣缸的滑臺、第一充氣伸長型氣動柔性驅動器和第二充氣伸長型氣動柔性驅動器、導杆、固定支架、聯接件、可移動支架、滑動副；下肢託架單元包括大腿杆、大腿託板、小腿杆、小腿託板、腳託架、聯接杆、T型連接件、L型杆、第一調節裝置和第二調節裝置；控制單元包括角度位移傳感器、力傳感器、位移傳感器和控制器。本發明可根據患者的康復程度，方便地實現膝關節被動訓練和主動訓練等多種康復訓練模式，並且施力(包括被動訓練中帶動患膝運動的驅動力和主動訓練中設置的訓練阻尼力)無級可調、訓練角度無級可調。
文檔編號A61H1/02GK101829004SQ201010146310
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月14日 優先權日2010年4月14日
發明者孫中聖, 李小寧, 楊罡, 滕燕, 路建萍 申請人:南京理工大學