CN108095976B - 一种具有被动回弹功能的仿生膝关节康复训练装置 - Google Patents

Abstract

一种具有被动回弹功能的仿生膝关节康复训练装置，由大腿护具、小腿护具、连接杆件、转动臂、气弹簧平衡装置以及电磁力锁装置组成。大腿护具、小腿护具上有起固定作用的绑带，大腿护具和小腿护具都通过连接杆件与转动臂连接；连接杆件与转动臂连接部分构成调节装置；电磁力锁装置包括电磁块、滑轨、滑槽和顶盖，电磁块在滑轨上滑动，电磁力锁装置与气弹簧平衡装置固定在转动臂上，转动臂一端绕主轴的运动实现大腿护具和小腿护具在平面内成角度转动。本发明能帮助患者进行膝关节的康复训练，气弹簧平衡装置和电磁力锁装置组成的柔性系统体现了被动回弹特性，能避免传统康复器械的刚性运动带来的二次损伤。

Description

一种具有被动回弹功能的仿生膝关节康复训练装置

技术领域

本发明涉及医疗康复器械领域，具体是指一种节能、被动回弹功能的膝关节康复装置。

背景技术

目前，针对膝关节康复训练装置可分为穿戴式和非穿戴式，穿戴式一般指穿戴于人体腿部的器具，拥有限位模块控制一定的角度范围，辅助膝关节进行屈曲和伸展运动，以达到早期康复膝关节的目的。现今的穿戴式膝关节康复装置体型小、便于操作，适合患者在家庭等环境中使用，但存在着动力不足，康复效果差，易对患者造成二次损伤的缺点；非穿戴式相比较于穿戴式功能更为强大，不仅仅局限于某一关节（膝、髋、踝关节），而是针对患者上肢或下肢整体进行康复训练，它可以增加患者肌力和改善患者对肌肉的控制能力，但是该类装置比较庞大，造价昂贵，一般在康复医疗中心多为常见，所以患者只能到康复中心进行康复，这对有行动障碍的患者来说也是非常不便的。同时，在康复训练时需要有相应的康复辅助人员进行配合且操作繁琐，耗时耗力。

对于康复的装置的驱动装置，分为传统的电动机驱动和气、液装置驱动。电动机驱动属于刚性驱动，一般配合相应的转动变直线运动机构（如蜗轮蜗杆）辅助实现膝关节屈曲和伸展运动。但是，电动机电池能耗较大，价格贵，重量大，所以并不适用于患者长期穿戴；气、液装置属于柔性驱动，存在动力不足的现象。另外，整套系统较为复杂，体型庞大，不适用于穿戴式康复装置。传统的膝关节康复训练装置功能健全，有保护措施的体型庞大，造价昂贵且耗时耗力，不方便患者自己进行康复训练；而小型的康复器械虽然操作便捷，但是传统的电动机刚性驱动模式很容易对患者造成二次伤害。综合以上两种情况来看，发明一种小型便捷且能很好地避免二次伤害的膝关节康复训练装置有很广阔的应用前景。

非洲鸵鸟是世界上现存体重最大、速度最快的两足动物。成年体重可达100公斤，持续速度在50-60公里/小时，可持续30分钟以上，冲刺速度超过70公里/小时。高速奔跑不仅得益于鸵鸟足部优越性，还与鸵鸟的跗骨间关节的结构特性相关。被动回弹特性是鸵鸟跗骨间关节的韧带的主要特性之一，基于鸵鸟跗骨间关节的滚-滑式关节，在弯曲转动过程中，由于骨突和韧带的相互作用，造成了关节啮合-无啮合的变化，被动回弹特性是指当鸵鸟的关节处于最大的伸展状态时，由于胫跗骨远端后部的限位作用，防止了关节的过度伸展。当关节弯曲某一角度时，会释放跗跖骨，回到原始位置，即关节最大伸展位置。

本发明基于工程仿生学原理，该装置设计模仿鸵鸟跗骨间关节的被动回弹特性，实现被动回弹功能，以达到患者在使用该发明进行膝关节康复训练时会避免二次伤害效果，而且该发明本身还具有简单易便携，操作简便，节能等优点。

发明内容

为了更好地解决上述问题，本发明模仿鸵鸟跗骨间关节被动回弹特性，设计出一种轻便、节能、可避免二次伤害的膝关节康复训练装置。本发明基于工程仿生学原理，该装置设计模仿鸵鸟跗骨间关节的被动回弹特性，实现被动回弹功能，以达到患者在使用该发明进行膝关节康复训练时会避免二次伤害效果，而且该发明本身还具有简单易便携，操作简便，节能等优点。

本发明包括连接杆件 、大腿护具、第一滑槽、主轴 、小腿护具、气弹簧平衡装置 、电磁力锁装置、紧定螺栓、螺栓、转动臂和绑带；患者的大腿和小腿分别通过绑带与大腿护具、小腿护具进行固定，大腿护具和小腿护具与连接杆件之间均通过螺栓连接；连接杆件与转动臂通过螺栓连接；转动臂上的第一滑槽通过紧定螺栓连接，转动臂一端的孔内嵌有深沟球轴承，两个转动臂的轴承套在主轴上；

气弹簧平衡装置两端分别固定在两个转动臂上；

如图所示，电磁力锁装置 包括有滑轨、顶盖、电磁块和第二滑槽，滑轨中具有两个电磁块，滑轨之上具有顶盖，滑轨的两端具有第二滑槽，两个第二滑槽分别设置在两个转动臂上的滑柱上，第二滑槽在滑柱的限制下能左右移动；两个电磁块 分别与两个转动臂连接，电磁块能在滑轨上滑动，两个电磁块向内滑动能带动大腿护具和小腿护具弯曲；电磁力锁装置的线路安装在顶盖内部。

大、小腿护具腔体的材料为医学用塑料，该材料坚韧，富有弹性，具有良好的化学惰性和生物安全性。腔体内部贴合腿部材质为软质EVA，腔体绑带采用尼龙搭扣的方式进行紧固。

气弹簧平衡装置和电磁锁装置均固定在两转动臂之间，气弹簧平衡装置行程保证了两转动臂的夹角范围，进而不会出现角度过大或过小的情况；电磁力锁装置通电情况下，电磁块会沿滑轨滑动相向吸附，断电磁力消失，电磁块处于自由状态。气弹簧平衡装置与滑块均与转动臂固定，它们二者的直线运动会带动转动臂的转动，进而辅助膝关节进行屈曲和伸展运动。

本发明的有益效果：

本发明结构紧凑合理，转动臂上开有滑槽，方便不同身高腿长的人群使用，穿戴后调整至合适的位置进行紧定便可进行康复训练，人机贴合程度高，体型小容易携带，装置简单操作方便。

气弹簧平衡装置和电磁力锁装置实现被动回弹特性，在两转动臂夹角由小变大，即膝关节由屈曲状态到伸展状态的过程无需能量的消耗，体现了该康复装置节能的特点。

该康复装置驱动并没有采取传统意义上的电动机的刚性驱动模式，采用电磁力锁装置既能保证动力足够，又在气弹簧双向阻尼的作用下保证转动速度符合患者的情况，避免了刚性驱动所带给患者的二次损伤。

附图说明

图1是本发明立体示意图。

图2是本发明的另一视角立体示意图。

图3是本发明的电磁力锁装置立体分解示意图。

图4是本发明屈曲极限位置时结构示意图，两转动臂夹角为70°。

图5是本发明伸展极限位置时结构示意图，两转动臂夹角为170°。

其中：1.连接杆件； 2.大腿护具； 3.第一滑槽 ；4.主轴；5.小腿护具 ；6.气弹簧平衡装置 ；8.电磁力锁装置；81.滑轨；82.顶盖； 83.电磁块 ；84.第二滑槽；9.紧定螺栓；10.螺栓； 11.转动臂 ；12.绑带。

实施方式

如图1和图2所示，本发明包括连接杆件1 、大腿护具2、第一滑槽3、主轴 4、小腿护具5、气弹簧平衡装置 6、电磁力锁装置8、紧定螺栓9、螺栓10、转动臂11和绑带12；患者的大腿和小腿分别通过绑带12与大腿护具2、小腿护具5进行固定，大腿护具2和小腿护具5与连接杆件1之间均通过螺栓10连接；连接杆件1与转动臂11通过螺栓连接；转动臂11上的第一滑槽3通过紧定螺栓9连接，转动臂11一端的孔内嵌有深沟球轴承，两个转动臂11的轴承套在主轴4上；

气弹簧平衡装置6两端分别固定在两个转动臂11上；

如图3所示，电磁力锁装置8 包括有滑轨81、顶盖82、电磁块83和第二滑槽84，滑轨81中具有两个电磁块83，滑轨81之上具有顶盖82，滑轨81的两端具有第二滑槽84，两个第二滑槽84分别设置在两个转动臂11上的滑柱上，第二滑槽84在滑柱的限制下能左右移动；两个电磁块83 分别与两个转动臂11连接，电磁块83能在滑轨81上滑动，两个电磁块83向内滑动能带动大腿护具2和小腿护具5弯曲；电磁力锁装置8的线路安装在顶盖82内部。

利用本发明进行膝关节康复时，包括以下步骤：

1）患者穿戴上该康复装置后使用绑带12将自身腿部与大腿护具2和小腿护具5紧固，并根据自身舒适度调节第一滑槽3用紧定螺栓9进行固定

2）装置工作前调节气弹簧平衡装置6阻尼系数，并将气弹簧平衡装置6的活塞杆行程调至最大；此时电磁块83调至滑轨81两端，膝关节开和角度处于170°，如图5所示。

3）装置工作时，将电磁力锁装置8通电，电磁块83会沿滑轨81相向吸附滑动，由于电磁块83与转动臂11固定，故电磁块83直线运动会带动转动臂11转动，辅助膝关节会从伸展极限位置进行弯曲，再由于气弹簧平衡装置6具有双向阻尼作用，气弹簧平衡装置6的膝关节以小速度弯曲，如图4所示，两转动臂弯曲极限夹角为70°

当到达屈曲极限位置时，电磁力锁装置8断电，磁力消失，此时由于气弹簧平衡装置6的弹簧处于压缩状态，在没有外力的作用下要恢复初始状态，气弹簧平衡装置6的弹簧与活塞杆相连，故弹簧在有阻尼情况下慢慢恢复推动活塞杆，而气弹簧的活塞杆和缸筒分别与转动臂11固定，所以可带动两转动臂11夹角变大，辅助膝关节从屈曲极限状态慢慢张开直至伸展极限状态。

重复步骤2）和步骤3）为该装置的正常工作过程，辅助膝关节进行伸展——屈曲——伸展的动作。

该装置设有安全模块，位于气弹簧平衡装置6一端旋钮，自锁模式可随时将弹簧的压缩量进行恒定，整个装置停止工作，避免意外的发生。

Claims (1)

1. 一种具有被动回弹功能的仿生膝关节康复训练装置，其特征在于：包括连接杆件（1） 、大腿护具（2）、第一滑槽（3）、主轴（4）、小腿护具（5）、气弹簧平衡装置（6）、电磁力锁装置（8）、紧定螺栓（9）、螺栓（10）、转动臂（11）和绑带（12）；患者的大腿和小腿分别通过绑带（12）与大腿护具（2）、小腿护具（5）进行固定，大腿护具（2）和小腿护具（5）与连接杆件（1）之间均通过螺栓（10）连接；连接杆件（1）与转动臂（11）通过螺栓连接；转动臂（11）上的第一滑槽（3）通过紧定螺栓（9）连接，转动臂（11）一端的孔内嵌有深沟球轴承，两个转动臂（11）的轴承套在主轴（4）上；

气弹簧平衡装置（6）两端分别固定在两个转动臂（11）上；

电磁力锁装置（8） 包括有滑轨（81）、顶盖（82）、电磁块（83）和第二滑槽（84），滑轨（81）中具有两个电磁块（83），滑轨（81）之上具有顶盖（82），滑轨（81）的两端具有第二滑槽（84），两个第二滑槽（84）分别设置在两个转动臂（11）上的滑柱上，第二滑槽（84）在滑柱的限制下能左右移动；两个电磁块（83） 分别与两个转动臂（11）连接，电磁块（83）能在滑轨（81）上滑动，两个电磁块（83）向内滑动能带动大腿护具（2）和小腿护具（5）弯曲；电磁力锁装置8的线路安装在顶盖82内部；

进行膝关节康复时，包括以下步骤：

1）、患者穿戴上所述康复训练装置后使用绑带12将自身腿部与大腿护具2和小腿护具5紧固，并根据自身舒适度调节第一滑槽3用紧定螺栓9进行固定；

2）、所述康复训练装置工作前调节气弹簧平衡装置6的阻尼系数，并将气弹簧平衡装置6的活塞杆行程调至最大，此时电磁块83调至滑轨81两端，膝关节开和角度处于170°；

3）、所述康复训练装置工作时，将电磁力锁装置8通电，电磁块83会沿滑轨81相向吸附滑动，由于电磁块83与转动臂11固定，故电磁块83直线运动会带动转动臂11转动，辅助膝关节会从伸展极限位置进行弯曲，再由于气弹簧平衡装置6具有双向阻尼作用，气弹簧平衡装置6的膝关节以小速度弯曲，两转动臂弯曲极限夹角为70°；

当到达屈曲极限位置时，电磁力锁装置8断电，磁力消失，此时由于气弹簧平衡装置6的弹簧处于压缩状态，在没有外力的作用下要恢复初始状态，气弹簧平衡装置6的弹簧与活塞杆相连，故弹簧在有阻尼情况下慢慢恢复推动活塞杆，而气弹簧的活塞杆和缸筒分别与转动臂11固定，所以可带动两转动臂11夹角变大，辅助膝关节从屈曲极限状态慢慢张开直至伸展极限状态。