專利名稱：下肢關節(jié)康復訓練器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療設備的康復器械，特別是涉及一種被動、主動運動訓練的下肢關 節(jié)康復訓練器。
背景技術：
目前，在市場中的下肢關節(jié)康復訓練器主要是由機殼、下肢托架、可調(diào)節(jié)腳支架、 傳動機構及控制機構等組成，其中的下肢托架則由轉(zhuǎn)動節(jié)頭連接在一起的大腿支架和小腿 支架構成。通過傳動機構驅(qū)動推桿下端作往復運動，帶動下肢托架伸展和屈曲，使置于下肢 托架上的患肢得到被動訓練，從而達到康復治療的目的。由于推桿位于小腿支架末端的伸 縮桿端部的腿支架下，當推桿下端運行至行程終點時，即下肢托架的屈曲角度最大時，推桿 的高度處于最低點，使下肢托架的長度調(diào)節(jié)及活動角度受到限制，較難滿足不同身高的患 者的需求。雖然在不斷改進后能夠適當?shù)奶岣呋顒咏嵌?，適應能力不斷增強。但是都沒有擺 脫結(jié)構上的限制，活動的范圍適應的程度必然有限，治療的效果就會受到很大的影響，在以 這種下肢托架結(jié)構做康復被動訓練時關節(jié)做的是非平動不等速運動，這種訓練達不到最佳 治療效果。在手術后早期被動訓練是十分必要的但是也存在一個問題病人由于缺乏手術 后早期肌肉的主動收縮，均存在不同程度的肌肉萎縮。國外一般是先進行被動訓練，然后有 專門的醫(yī)護人員對病人進行主動訓練指導，這樣就會受醫(yī)護人員有限的限制。并且現(xiàn)在大 多數(shù)主動訓練器都是立式的，這樣就會出現(xiàn)肢體重力的代償?shù)默F(xiàn)象使主動訓練達不到應有 的效果。因此，針對上述技術存在的缺點，本申請人曾在2006年申請并已授權的專利，該專 利號為ZL200620200436. 6的一種“下肢關節(jié)康復訓練器”；它的結(jié)構包括包括底板、擱腿 板、桿長調(diào)節(jié)鈕、可調(diào)腿支架、連桿、可調(diào)曲柄、變剛度機構、漲緊聯(lián)接套、軸承座、底板、顯示 器、控制鍵盤、腿支架固定旋鈕、小腿固定帶及設置在機殼內(nèi)電機傳動機構及控制電路，位 于底板和擱腿板之間設有電機傳動的變剛度機構固定于連桿上，與連桿鉸接有四根可調(diào)曲 柄；可調(diào)曲柄屬于從動的兩根通過漲緊聯(lián)接套與軸承座內(nèi)的軸相聯(lián)接；可調(diào)曲柄屬于驅(qū)動 的兩根通過漲緊聯(lián)接套與驅(qū)動軸相聯(lián)接；底板上固定有軸承座和機殼；其控制電路由單片 機所組成的智能控制電路；其中由信號采集模塊所采集的監(jiān)控信號與通過人機交互模塊所 設定的控制信號傳至單片機，經(jīng)單片機處理后傳到電機驅(qū)動模塊中，其控制電路還設有信 號采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊；數(shù)據(jù)通信模塊通過RS232總線與電腦連接；信號采集模塊由彈 簧位置傳感器、主電機位置傳感器、扭矩傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器構成；所有傳感器都將采集的 電壓信號輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給單片機。其電機傳動的變剛度機構由電機、 傳動機構、小齒輪、彈簧套筒、壓縮彈簧、壓縮桿、外齒條固定架、內(nèi)齒條固定架構成；其中電 機通過傳動機構中的連接軸與小齒輪固定連接；小齒輪與外齒條固定架、內(nèi)齒條固定架上 的齒條相嚙合；兩個彈簧套筒內(nèi)置有兩根壓縮彈簧并套在壓縮桿上，彈簧套筒位于壓縮桿 中間端的為活動端，另一端固定在齒條固定支架上；彈簧套筒活動端設有擋片擋住彈簧； 兩壓縮桿中間設有連接器可通過各種固定連接與擱腿板相連接；其傳動機構由蝸桿、蝸輪、 連接軸所構成；其中蝸輪與連接軸固定為一體；該“下肢關節(jié)康復訓練器”不僅能使患者活動角度完全滿足人體需要，在進行康復訓練時實現(xiàn)患者肢體平動和勻速，而且既可在術后 前期進行被動訓練又可根據(jù)患者的訓練情況進行不同階段的主動訓練；并且患者還能依靠 本專利自主實現(xiàn)主動訓練；而實現(xiàn)最佳治療效果。盡管上述技術已有了顯著進步，但其結(jié)構 仍不甚合理和存在不足之處由電機、蝸輪、蝸桿的傳動機構、小齒輪、彈簧套筒、壓縮彈簧、 壓縮桿、外齒條固定架、內(nèi)齒條固定架組成的電機傳動的變剛度機構，不僅結(jié)構復雜，而且 套在壓縮桿上的兩個彈簧，既較難控制技術參數(shù)，又不便于加工制造。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在為了避免上述技術中存在的缺點和不足之處，從采用磁流變液新技術 和新型智能材料入手，以磁流變液阻尼制動器驅(qū)動的變剛度機構替代電機傳動的變剛度機 構。眾所周知，磁流變液(MRF)是近十年來發(fā)展起來的一種新型智能材料，它在無外加磁場 時，流變特性與普通牛頓流體類似；但在外加磁場作用下可產(chǎn)生磁流變效應，即表觀粘度可 在毫秒級內(nèi)增加幾個數(shù)量級，呈現(xiàn)類似固體的力學性質(zhì)，且屈服應力與粘度能夠隨磁場發(fā) 生可逆變化。利用磁流變效應可以制作出結(jié)構簡單、響應速度快、調(diào)控方便的各種動力傳遞 的由定子和圓柱形轉(zhuǎn)子兩大部分組成驅(qū)動器。本磁流變液制動器驅(qū)動的變剛度機構，不僅 實現(xiàn)不同患者主動訓練時阻尼力的設定，而且具有設計合理，結(jié)構緊湊，便于加工制造和使 用十分方便等優(yōu)點。本發(fā)明的目的是采用如下的技術方案實現(xiàn)的所述的下肢關節(jié)康復訓練器，包括 底板、擱腿板、桿長調(diào)節(jié)鈕、可調(diào)腿支架、連桿、可調(diào)曲柄、變剛度機構漲緊聯(lián)接套、軸承座、 底板、顯示器、控制鍵盤、腿支架固定旋鈕、小腿固定帶和設置在機殼內(nèi)電機傳動機構及控 制電路，其特征在于在擱腿板架的兩內(nèi)壁居中處裝設磁流變液阻尼制動器驅(qū)動的變剛度 機構，所述的磁流變液阻尼制動器驅(qū)動的變剛度機構由勵磁電流調(diào)節(jié)器、勵磁電流線、磁流 變液阻尼制動器、支軸座、齒輪軸、齒輪和齒條組成，在擱腿板架內(nèi)底面居中處裝設由兩支 軸座支撐的齒輪軸，其齒輪軸的居中處連接齒輪，與齒輪位置相對應的擱腿板架內(nèi)底面上 連接與齒輪相嚙合的齒條，在齒輪任一側(cè)的齒輪軸上連接磁流變液阻尼制動器，擱腿板架 內(nèi)底面上的一側(cè)裝設勵磁電流調(diào)節(jié)器，在勵磁電流調(diào)節(jié)器與磁流變液阻尼制動器之間通過 勵磁電流線連通相接；所述的控制電路由單片機所組成的智能控制電路；其中由信號采集 模塊所采集的監(jiān)控信號與通過人機交互模塊所設定的控制信號傳至單片機，在由單片機處 理后傳到電機驅(qū)動模塊及勵磁電流調(diào)節(jié)器中。所述的磁流變液阻尼制動器所在齒輪軸還可以垂直裝于擱腿板架內(nèi)底面上，此時 與齒條嚙合的齒輪端面平行于內(nèi)底面。其他組件隨齒輪軸的位置變化而改變。所述的勵磁電流調(diào)節(jié)器由PWM-即脈寬調(diào)制集成芯片、負載電流反饋環(huán)節(jié)、和控制 電壓線性變換三部分組成。這樣一來，就可通過PWM集成芯片完成電磁線圈的電流調(diào)節(jié)。由 于負載變化，例如線圈電阻由于溫度而變化，僅調(diào)控電壓會帶來電流誤差，可通過負載電流 反饋環(huán)節(jié)進行閉環(huán)補償溫度漂移，使系統(tǒng)能長期穩(wěn)定工作。考慮到許多D/A轉(zhuǎn)換器不具有 灌電流能力，為了方便使用，需要對占空比輸入控制電壓做線性變換。本發(fā)明的原理和操作分述于下由于本發(fā)明采用磁流變液阻尼制動器驅(qū)動的變剛度機構，主動訓練時，電機停止 工作，通過勵磁電流調(diào)節(jié)器改變磁流變液阻尼制動器的工作電流，通過人機交互模塊的設定使電流在0到I之間變化，當患者在主動訓練時阻尼制動器就可以在帶有一定阻尼力的 狀態(tài)下工作，并通過與阻尼制動器相連的軸將阻尼力傳遞給齒輪，齒輪與齒條嚙合將阻尼 力傳遞給擱腿板，此時患者下肢就可以進行有阻尼的往復運動。通過控制外加電流的大小， 就可以準確控制阻尼力的大小。綜合以上所采取的技術方案，實現(xiàn)本發(fā)明的目的。與現(xiàn)有技術相比，由于本發(fā)明采用了磁流變液阻尼制動器驅(qū)動的變剛度機構替代 電機傳動的變剛度機構；不僅實現(xiàn)不同患者主動訓練時阻尼力的設定，而且具有設計合理， 結(jié)構緊湊，便于加工制造和使用十分方便等優(yōu)點。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明共有四幅附圖。其中附圖1是本發(fā)明的具體實施例的主視結(jié)構示意圖；附圖2是本發(fā)明的具體實施例中的磁流變液阻尼制動器驅(qū)動的變剛度機構的示 意圖；附圖3是圖2的俯視圖；附圖4是本發(fā)明的具體實施例的控制電路系統(tǒng)結(jié)構框圖。圖中1、機殼，2、桿長調(diào)節(jié)鈕，3、可調(diào)曲柄，4、變剛度機構，5、可調(diào)腿支架，6、擱腿 板架，7、漲緊聯(lián)接套，8、軸承座，9、底板，10、顯示器，11、控制鍵盤，12、腿支架固定旋鈕，13、 小腿固定帶，14、電流調(diào)節(jié)器，15、勵磁電流線，16、磁流變液阻尼制動器，17、支軸座，18、齒 輪軸，19、齒輪，20、齒條，21、人機交互模塊，22、信號采集模塊，23、數(shù)據(jù)通信模塊，24、電機 驅(qū)動模塊，25、單片機。
具體實施例方式如圖1、2、3、4所示是本發(fā)明的具體實施例，它的結(jié)構包括底板9、擱腿板架6、桿 長調(diào)節(jié)鈕2、可調(diào)腿支架5、可調(diào)曲柄3、變剛度機構4、漲緊聯(lián)接套7、軸承座8、顯示器10、 控制鍵盤11、腿支架固定旋鈕12、小腿固定帶13和設置在機殼1內(nèi)電機傳動機構及控制電 路，機殼1內(nèi)的電機傳動機構通過連桿鉸接有四根可調(diào)曲柄3 ；可調(diào)曲柄3屬于從動的兩根 通過漲緊聯(lián)接套7與軸承座8內(nèi)的軸相聯(lián)接；可調(diào)曲柄3屬于驅(qū)動的兩根通過漲緊聯(lián)接套 7與驅(qū)動軸相聯(lián)接；底板9上固定有軸承座8和機殼1，其四根可調(diào)曲柄3頂部鉸接擱腿板 架6，實現(xiàn)擱腿板架6作水平的、往返運動；其特征在于在擱腿板架6的兩內(nèi)壁居中處裝設 磁流變液阻尼制動器驅(qū)動的變剛度機構4，所述的磁流變液阻尼制動器驅(qū)動的變剛度機構 4由勵磁電流調(diào)節(jié)器14、勵磁電流線15、磁流變液阻尼制動器16、支軸座17、齒輪軸18、齒 輪19和齒條20組成，在擱腿板架6兩側(cè)壁居中處裝設由兩支軸座17支撐的齒輪軸18，其 齒輪軸18的居中處連接齒輪19，與齒輪19位置相對應的擱腿板架6內(nèi)底面上連接與齒輪 19相嚙合的齒條20，在齒輪20前側(cè)的齒輪軸18上連接磁流變液阻尼制動器16，擱腿板架 6內(nèi)底面上的左側(cè)裝設勵磁電流調(diào)節(jié)器14，所述的勵磁電流調(diào)節(jié)器14由PWM-即脈寬調(diào)制 集成芯片、負載電流反饋環(huán)節(jié)和控制電壓線性變換三部分組成；通過PWM集成芯片完成電 流調(diào)節(jié)。由于負載變化，例如線圈電阻由于溫度而變化，僅調(diào)控電壓會帶來電流誤差，可通過負載電流反饋環(huán)節(jié)進行閉環(huán)補償溫度漂移，使系統(tǒng)能長期穩(wěn)定工作。考慮到許多D/A轉(zhuǎn) 換器不具有灌電流能力，為了方便使用，需要對占空比輸入控制電壓做線性變換。在勵磁電 流調(diào)節(jié)器14與磁流變液阻尼制動器16之間通過勵磁電流線15連通相接；所述的控制電路 由單片機25所組成的智能控制電路；其中由信號采集模塊22所采集的監(jiān)控信號與通過人 機交互模塊21所設定的控制信號傳至單片機25，經(jīng)單片機25處理后傳到勵磁電流調(diào)節(jié)器 14中，所述的控制電路由單片機25所組成的智能控制電路；其中由信號采集模塊22所采 集的監(jiān)控信號與通過人機交互模塊21所設定的控制信號傳至單片機25，再由單片機25處 理后傳到電機驅(qū)動模塊M中；所述的控制電路還設有信號采集模塊22、數(shù)據(jù)通信模塊23 ； 數(shù)據(jù)通信模塊23通過RS232總線與單片機25連接；使用時，通過桿長調(diào)節(jié)鈕2調(diào)整可調(diào) 曲柄3的高度適合患者大腿的長度、腿支架固定旋鈕12調(diào)整可調(diào)腿支架6的位置適合患 者小腿的長度；然后用小腿固定帶13將小腿固定在擱腿板6上；然后根據(jù)醫(yī)生的指導來設 定訓練。本發(fā)明的主要功能操作(1)根據(jù)臨床需要可任意設置起始和終止角度，并采用數(shù) 碼管顯示起始、終止、實時角度及工作時間；(2)設有常規(guī)和每5min、15min、30min增加1度 的4種工作模式，可自動完成循序漸進康復鍛煉的全過程；C3)運行時遇到異常阻力可自動 反轉(zhuǎn)，確保病人安全，自動反轉(zhuǎn)時的閥值可自由設定；(4)運行速度在4度/秒的范圍內(nèi)可 任意調(diào)節(jié)，滿足術后各階段的鍛煉要求；( 設有定時關機功能，方便臨床管理，定時時間 0min-255min可調(diào)；(6)配置手控器，可由患者直接控制機器的屈、伸、啟、停。人機交互模塊 21可采用包含控制鍵盤11 ( 一個4x4鍵盤)與顯示器10 (—個六位數(shù)碼顯示器)來組成， 應用控制鍵盤11可進行位置調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)、模式選擇等操作。在操作的同時，系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 通信模塊23含一個RS-232標準通信接口，通過終端可對系統(tǒng)進行設置或擴展邏輯功能，系 統(tǒng)專門設計了 一套通用操作指令，統(tǒng)一了數(shù)據(jù)采集模塊22與電機驅(qū)動模塊M的接口，還能 用于終端的功能擴展，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同的復雜運行模式，現(xiàn)在提供了 Windows操 作系統(tǒng)兼容的PC平臺控制軟件，在未來將會推出其他平臺的控制軟件及開發(fā)包。目前系統(tǒng) 中定義的控制指令包含電機的速度、方向、啟停、剎車設置，位置、扭矩反饋信號采集，以及 系統(tǒng)運行的定時等。由鍵盤11輸入指令和操作數(shù)，按鈕按下后，輸入的內(nèi)容顯示于顯示器 10上。運行模式時，顯示器10顯示運行狀態(tài)。在做主動訓練時根據(jù)醫(yī)生指導，在控制鍵盤中設定患者該階段最大肌力來調(diào)節(jié)磁 流變液阻尼制動器驅(qū)動的變剛度機構4的行程范圍，具體實施為主動訓練時，電機停止工 作，通過單片機25將人機交互模塊21設定的改變電流信號傳遞給勵磁電流調(diào)節(jié)器14，并改 變磁流變液阻尼制動器的工作電流，使電流在0到I之間變化，當患者在主動訓練時阻尼制 動器就可以在帶有一定阻尼力的狀態(tài)下工作，并通過與阻尼制動器16相連的軸18將阻尼 力傳遞給齒輪19，齒輪19與齒條20嚙合將阻尼力傳遞給擱腿板，此時患者下肢就可以進行 有阻尼的往復運動。通過控制外加電流的大小，就可以準確控制阻尼力的大小。這樣就實 現(xiàn)了患者的主動訓練。為了確保訓練器的精確性、穩(wěn)定性、安全性，主驅(qū)動采用了單相異步電機。驅(qū)動模 塊M中的電機驅(qū)動機構使用雙向可控硅調(diào)壓方式對其進行調(diào)速控制，正反轉(zhuǎn)切換使用固 態(tài)交流繼電器SSR機型控制。變剛度驅(qū)動部分由勵磁電流調(diào)節(jié)器14控制基于磁流變液的 阻尼制動器。所需的反饋信號包括主電機的位置和扭矩、變剛度機構齒條位置，傳感器反饋信號為0-5V電壓模擬量，通過信號采集模塊22中的轉(zhuǎn)換模塊(ADC0809轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號發(fā)回單片機；位置傳感器使用的是高精度的旋鈕電位器，電壓模擬量送入轉(zhuǎn)換模塊 (ADC0809轉(zhuǎn)換器)的IN端口，轉(zhuǎn)換模塊(ADC0809轉(zhuǎn)換器)的轉(zhuǎn)換精度為8Bit，能夠滿足使 用的需要。速度量由位置信號通過算法處理運算得到，由軟件實現(xiàn)；扭矩傳感器的模擬電壓 量送入轉(zhuǎn)換模塊(ADC0809轉(zhuǎn)換器)的IN端口，結(jié)果進入單片機，并與力矩調(diào)節(jié)旋鈕設定的 閥值進行比較。若訓練器承受的負荷超過力矩調(diào)節(jié)旋鈕所設定的閥值，則單片機發(fā)出電機 換向信號，經(jīng)方向控制，使電機換向；反之，則保持原方向運行。由于單片機的反應速度快、 精度高，再加上反饋環(huán)節(jié)這樣就可以保持康復訓練過程的安全性。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于 此，所有熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明公開的技術范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術方案 及其本發(fā)明的構思加以等同替換或改變均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種下肢關節(jié)康復訓練器，包括底板、擱腿板、桿長調(diào)節(jié)鈕、可調(diào)腿支架、連桿、可調(diào) 曲柄、變剛度機構、漲緊聯(lián)接套、軸承座、底板、顯示器、控制鍵盤、腿支架固定旋鈕、小腿固 定帶和設置在機殼內(nèi)電機傳動機構及控制電路，其特征在于在擱腿板架(6)的兩內(nèi)壁居 中處底面裝設磁流變液阻尼制動器驅(qū)動的變剛度機構，所述的磁流變液阻尼制動器驅(qū) 動的變剛度機構⑷由勵磁電流調(diào)節(jié)器(14)、勵磁電流線(15)、磁流變液阻尼制動器(16)、 支軸座(17)、齒輪軸(18)、齒輪(19)和齒條00)組成，在擱腿板架(6)內(nèi)底面居中處裝設 由兩支軸座(17)支撐的齒輪軸(18)，其齒輪軸(18)的居中處連接齒輪(19)，與齒輪(19) 位置相對應的擱腿板架(6)內(nèi)底面上連接與齒輪(19)相嚙合的齒條(20)，在齒輪(19)任 一側(cè)的齒輪軸(18)上連接磁流變液阻尼制動器(16)，擱腿板架(6)內(nèi)底面上的一側(cè)裝設勵 磁電流調(diào)節(jié)器(14)，在勵磁電流調(diào)節(jié)器(14)與磁流變液阻尼制動器(16)之間通過勵磁電 流線(1 連通相接；所述的控制電路由單片機0 所組成的智能控制電路；其中由信號 采集模塊0 所采集的監(jiān)控信號與通過人機交互模塊所設定的控制信號傳至單片機 05)，在由單片機05)處理后傳到電機驅(qū)動模塊04)及勵磁電流調(diào)節(jié)器(14)中。
2.按權利要求1所述的下肢關節(jié)康復訓練器，其特征在于所述的勵磁電流調(diào)節(jié)器 (14)由PWM-脈寬調(diào)制集成芯片、負載電流反饋環(huán)節(jié)和控制電壓線性變換三部分組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種被動、主動運動訓練的下肢關節(jié)康復訓練器；包括底板、擱腿板、桿長調(diào)節(jié)鈕、可調(diào)腿支架、連桿、可調(diào)曲柄、變剛度機構、漲緊聯(lián)接套、軸承座、底板、顯示器、控制鍵盤、腿支架固定旋鈕、小腿固定帶和設置在機殼內(nèi)電機傳動機構及控制電路，其特征在于在擱腿板架的兩內(nèi)壁居中處裝設由勵磁電流調(diào)節(jié)器、勵磁電流線、磁流變液阻尼制動器、支軸座、齒輪軸、齒輪和齒條組成的磁流變液阻尼制動器驅(qū)動的變剛度機構，由于本發(fā)明采用了磁流變液阻尼制動器驅(qū)動的變剛度機構替代電機傳動的變剛度機構；不僅實現(xiàn)不同患者主動訓練時阻尼力的設定，而且具有設計合理，結(jié)構緊湊，便于加工制造和使用十分方便等優(yōu)點。
文檔編號A63B23/04GK102114318SQ20111002245
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月19日 優(yōu)先權日2011年1月19日
發(fā)明者王廣欣, 趙楠 申請人:大連交通大學