專利名稱：下肢關節(jié)康復訓練器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種醫(yī)療器械，尤其是一種被動、主動運動訓練 的下肢關節(jié)康復訓練器。
背景技術：
現有的下肢關節(jié)康復訓練器主要是由機殼、下肢托架、可調節(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。通過傳動機構驅動推桿下端作往復運動，帶動下
肢托架伸展禾'n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的提高活動角度，適應能力不斷增強。但是都沒有 擺脫結構上的限制，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，這就要求實施者具有一定的護理知識，同時也是一項消耗 體力的工作。并且現有主動訓練器大多過于復雜，并存在肢體重力代償作用， 使患肢主動訓練達不到應有的效果。
發(fā)明內容本實用新型的目的是提供一種活動角度完全滿足人體需要、在進 行康復訓練時實現患者肢體平動和勻速、可在術后前期進行被動訓練又可根據 患者的訓練情況進行不同階段的主動訓練的下肢關節(jié)康復訓練器，.患者可依靠本機實現自主訓練，從而實現最佳治療效果。
為達到上述目的，本實用新型下肢關節(jié)康復訓練器，包括機殼、底板、擱 腿板、可調節(jié)腳支架以及設置在機殼內的傳動機構及控制電路，位于底板和擱
腿板之間設有金剛度機構固定于連桿上，與連桿鉸接有四根可調曲柄；可調曲 柄屬于從動的兩根通過漲緊聯接套與軸承座內的軸相聯接；可調曲柄屬于驅動 的兩根通過漲緊聯接套與驅動軸相聯接；底板上固定有軸承座和機殼；所述的 控制電路是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，經單片機處理后傳 到電機驅動模塊中；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、內齒條固定架組成；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、內齒條固定架上的齒條 相咬合；兩個彈簧套筒內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架上；彈簧套筒活動端設有檔 片擋住彈簧；所述的控制電路還設有信號采集模塊、數據通信模塊；數據通信 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、數模轉換器構成；所有傳感器都將采集的電壓信號輸 入數模轉換器轉換成數字信號傳給單片機；變剛度機構的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；變剛度機構中的傳動機構由蝸桿、 蝸輪、連接軸所構成，且蝸輪與連接軸固定為一體。
本實用新型的優(yōu)點是結構合理、工藝簡單、造價低廉、應用廣泛，在進 行被動訓練時，壓縮彈簧不產生壓縮變形，擱腿板變剛度機構無相對運動，還 能滿足不同身高的病人訓練使用；在訓練過程中可保證患者關節(jié)活動平穩(wěn)；另 外，可避免肢體重力的代償作用，依靠單片機控制傳感器為使用者控制提供方便，并能自我監(jiān)控。
圖1為本實用新型下肢關節(jié)康復訓練器的整體結構示意圖。
圖2為本實用新型下肢關節(jié)康復訓練器的變剛度結構的示意圖。 圖3為本實用新型下肢關節(jié)康復訓練器的變剛度結構的俯視圖。
圖4為本實用新型下肢關節(jié)康復訓練器的控制系統(tǒng)結構框圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型下肢關節(jié)康復訓練器，包括機殼l、
底板9、擱腿板6、可調節(jié)腳支架5以及設置在機殼1內的傳動機構及控制電路, 位于底板9和擱腿板6之間設有金剛度機構4固定于連桿上，與連桿鉸接有四 根可調曲柄3;可調曲柄3屬于從動的兩根通過漲緊聯接套7與軸承座8內的軸 相聯接；可調曲柄3屬于驅動的兩根通過漲緊聯接套7與驅動軸相聯接；底板9 上固定有軸承座8和機殼1;所述的控制電路是由單片機35所組成的智能控制 電路；其中由信號采集模塊28所采集的監(jiān)控信號與通過人機交互模塊27所設 定的控制信號傳至單片機35，經單片機35處理后傳到電機驅動模塊30中；變 剛度機構4由電機14、傳動機構19、小齒輪18、彈簧套筒23、壓縮彈簧21、 壓縮桿22、外齒條固定架26、內齒條固定架25組成；其中電機14通過傳動機 構19中的連接軸17與小齒輪18固定連接；小齒輪18與外齒條固定架26、內 齒條固定架25上的齒條20相咬合；兩個彈簧套筒23內置有兩根壓縮彈簧21 并套在壓縮桿22上，彈簧套筒23位于壓縮桿22中間端的為活動端，另一端固 定在齒條固定架25、 26上；彈簧套筒23活動端設有檔片擋住彈簧；所述的控 制電路還設有信號采集模塊28、數據通信模塊29;數據通信模塊29通過RS232 總線與電腦連接；信號釆集模塊28由彈簧位置傳感器31、主電機位置傳感器 32、扭矩傳感器33、數模轉換器34構成；所有傳感器都將采集的電壓信號輸入 數模轉換器34轉換成數字信號傳給單片機35;變剛度機構4的兩壓縮桿22中間設有連接器24可通過各種固定連接與擱腿板6相連接；變剛度機構4中的傳 動機構19由蝸桿15、蝸輪16、連接軸17所構成，且蝸輪16與連接軸17固定 為一體。使用時，通過桿長調節(jié)鈕2調整可調曲柄3的高度適合患者大腿的長 度、腿支架固定旋鈕12調整可調腿支架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，根據醫(yī)生的指導來設定訓練。 本實用新型的主要功能操作-
(1) 根據臨床需要可任意設置起始和終止角度，并采用數碼管顯示起始、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；
(3) 運行時遇到異常阻力可自動反轉，確保病人安全，自動反轉時的閥值可自 由設定；
(4) 運行速度在4度/秒的范圍內可任意調節(jié)，滿足術后各階段的鍛煉要求；
(5) 設有定時關機功能，方便臨床管理，定時時間0min-255min可調；
(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27可采用包含控制鍵盤11 (一個4x4鍵盤)與顯示器10 (—個 六位數碼顯示器)來組成，應用控制鍵盤11可進行位置調節(jié)、速度調節(jié)、模式 選擇等操作。在操作的同時，系統(tǒng)的數據通信模塊29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)一了數據采集模塊29與電機驅動模塊30的接口，還能用于終 端的功能。擴展，使系統(tǒng)能夠實現各種不同的復雜運行模式，現在提供了 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ll輸入指令
和操作數，按鈕按下后，輸入的內容顯示于顯示器io上。運行模式時，顯示器
10顯示運行狀態(tài)。
在進行主動訓練時根據醫(yī)生指導，在控制鍵盤中設定患者該階段最大肌力
來調節(jié)變剛度機構4中壓縮彈簧的行程范圍，具體實施為靠近壓縮桿22中間 的彈簧套筒23為活動端，壓縮桿22的兩端為活動端。由電機驅動模塊30中的 變剛度機構驅動器驅動變剛度機構4中的電機帶動蝸桿15轉動，蝸桿15轉動 帶動蝸輪16轉動，這時同蝸輪16通過連接軸17相連接的小齒輪18就會隨之 轉動，與小齒輪相嚙合的齒條20就會帶動兩齒條固定架25、 26運動，如果是 加大剛度，兩齒條固定架25、 26就會向兩端行進帶動彈簧套筒向兩端行進，由 于壓縮桿22的長度是不變的，所以壓縮桿22的可活動端與彈簧套筒可活動端 與彈簧套筒23可活動端的相對長度就會變短，這樣就壓縮彈簧21使彈簧的彈 力增加;放在與連接器24相連接固定的擱腿板6上的患肢用力時一根彈簧釋放， 一根彈簧繼續(xù)壓縮，兩彈簧產生差力與患者用力相平衡，當壓縮桿22與一側彈 簧套筒23的相對長度恢復至壓縮彈簧長度時，壓縮桿22頂到另一側彈簧套筒 23的頂端，這時患者腿部使用的力達到該階段設定的阻尼力，這樣就實現了患 者的主動訓練。
為了確保訓練器的精確、穩(wěn)定性、安全性，主驅動采用了單相異步電動機， 變剛度機構中為達到精確的位置控制，電機14采用了直流電機。驅動模塊30 中的主電驅動機構使用雙向可控硅調壓方式對其進行調速控制，正反轉切換使 用固態(tài)交流繼電器SSR機型控制。變剛度驅動部分采用馬達控制芯片L298。L298 芯片提供了直流電機控制功能，能夠進行方向和制動控制，兩個輸入端分別為 方向和制動信號，由單片機提供。所需的反饋信號包括主電機的位置和扭矩、變剛度機構位置，傳感器反饋信號為0-5V電壓模擬量，通過信號采集模塊28 中的轉換模塊(ADC0809轉換器)轉換為數字信號發(fā)回單片機。位置傳感器使 用的是高精度的旋鈕電位器，電壓模擬量送入轉換模塊(ADC0809轉換器)的 IN端口，轉換模塊(ADC0809轉換器)的轉換精度為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。扭矩傳感器的模 擬電量送入轉換模塊(ADC0809轉換器)的IN端口，結果進入單片機，并與力 矩調節(jié)旋鈕設定的閥值進行比較。若訓練器隨的負荷超過力矩調節(jié)旋鈕所設定 的閥值，則單片機發(fā)出電機換向信號，經方向控制，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，再加上的反饋環(huán)節(jié)這樣就 可以保持康復訓練過程的安全性。
權利要求1、一種下肢關節(jié)康復訓練器，包括機殼(1)、底板(9)、擱腿板(6)、可調節(jié)腳支架(5)以及設置在機殼(1)內的傳動機構及控制電路，其特征在于位于底板(9)和擱腿板(6)之間設有金剛度機構(4)固定于連桿上，與連桿鉸接有四根可調曲柄(3)；可調曲柄(3)屬于從動的兩根通過漲緊聯接套(7)與軸承座(8)內的軸相聯接；可調曲柄(3)屬于驅動的兩根通過漲緊聯接套(7)與驅動軸相聯接；底板(9)上固定有軸承座(8)和機殼(1)；所述的控制電路是由單片機(35)所組成的智能控制電路；其中由信號采集模塊(28)所采集的監(jiān)控信號與通過人機交互模塊(27)所設定的控制信號傳至單片機(35)，經單片機(35)處理后傳到電機驅動模塊(30)中。
2、 根據權利要求1所述的下肢關節(jié)康復訓練器，其特征在于變剛度機構 (4)由電機(14)、傳動機構(19)、小齒輪(18)、彈簧套筒(23)、壓縮彈簧 (21)、壓縮桿(22)、外齒條固定架(26)、內齒條固定架(25)組成；其中電機(14)通過傳動機構(19)中的連接軸(17)與小齒輪(18)固定連接；小 齒輪(18)與外齒條固定架(26)、內齒條固定架(25)上的齒條(20)相咬合； 兩個彈簧套筒(23)內置有兩根壓縮彈簧(21)并套在壓縮桿(22)上，彈簧 套筒(23)位于壓縮桿(22)中間端的為活動端，另一端固定在齒條固定架(25)、 (26)上；彈簧套筒(23)活動端設有檔片擋住彈簧。
3、 根據權利要求1所述的下肢關節(jié)康復訓練器，其特征在于所述的控制 電路還設有信號采集模塊(28)、數據通信模塊(29);數據通信模塊(29)通 過RS232總線與電腦連接；信號采集模塊(28)由彈簧位置傳感器(31)、主電 機位置傳感器(32)、扭矩傳感器(33)、數模轉換器(34)構成；所有傳感器 都將采集的電壓信號輸入數模轉換器(34)轉換成數字信號傳給單片機(35)。
4、 根據權利要求1所述的下肢關節(jié)康復訓練器，其特征在于變剛度機構(4)的兩壓縮桿(22)中間設有連接器(24)可通過各種固定連接與擱腿板(6) 相連接。
5、 根據權利要求1所述的下肢關節(jié)康復訓練器，其特征在于變剛度機構 (4)中的傳動機構(19)由蝸桿(15)、蝸輪(16)、連接軸(17)所構成，且蝸輪(16)與連接軸(17)固定為一體。
專利摘要本實用新型涉及一種下肢關節(jié)康復訓練器，包括機殼、底板、擱腿板、可調節(jié)腳支架以及設置在機殼內的傳動機構及控制電路，位于底板和擱腿板之間設有金剛度機構固定于連桿上，與連桿鉸接有四根可調曲柄；可調曲柄屬于從動的兩根通過漲緊聯接套與軸承座內的軸相聯接；可調曲柄屬于驅動的兩根通過漲緊聯接套與驅動軸相聯接；底板上固定有軸承座和機殼。本實用新型具有結構合理、工藝簡單、造價低廉、應用廣泛等優(yōu)點。
文檔編號A63B23/04GK201139727SQ20072001698
公開日2008年10月29日 申請日期2007年12月17日 優(yōu)先權日2007年12月17日
發(fā)明者劉麗元 申請人:劉麗元