专利名称：锻炼和步态训练器械的制作方法
技术领域：
本发明涉及锻炼和步态训练器械，主要但不排它地用于残疾人如中风、脊髓受伤或行动不便的患者的康复。然而，可以预期所述器械的一些实施例也可以适用于那些希望纠正或改变他们的步态以提高其成绩的运动员。
背景技术：
那些遭受脊髓损伤或中风或动过手术如关节置换术的人士可能需要强化治疗，以使他们能站立、平衡、行走和坐下。这种类型的康复治疗通常在医疗保健机构进行。用于这类人士的康复的常规器械被设计成可锻炼肌肉并帮助行走。然而，该器械不总是要求使用者的双腿随从模拟行走过程中腿的自然动作的路线。这会导致使用者采取不良步态。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可克服此缺点的锻炼和步态训练器械。根据本发明，提供了一种锻炼和步态训练器械，包括:框架，其适于置放在地面上方；带具，其适于相对于框架支撑个人；矫形器，其适于附接在所述个人的腿的小腿或脚上；第一对第一致动器，其连接于框架上并连接与带具，从而移动带具的一侧以相对于框架移动被支撑个人的所述一条腿的髋部或股部；以及第二对第一致动器，其连接于框架上并连接于矫形器，从而相对于框架移动矫形器；控制装置，其适于控制并使致动器的操作同步，使得第一腿在行走、跑步或体育活动这三者之一的过程中以模拟腿的自然动作的路线。应当理解，一种根据本发明的器械不仅可以供行动不便者用于锻炼和改善他们的步态，也可以供希望训练腿跟随预定路线以提高其成绩的运动员使用。优选地，框架设有轮子以可以滚过地板表面。然而，在第一替代实施例中，框架被连接于机器，所述机器包括环形输送带表面，个人可以在支撑装置支持下在该表面上练习运动，控制装置适于使输送带表面的移动相对于执行器的操作同步。在第二替代实施例中，带具适于将个人悬挂于地面水平以上，从而使第一腿在路线上移动时脚不触及地板或在地板上滑过。同样优选地，框 架设有后轮，各后轮通过由控制装置控制的第一马达驱动。有利的是，有反馈系统连接于控制装置，从而可响应使用器械和/或地板表面的所述个人的运动而控制致动器和任何从动轮。同样优选地，设有第二矫形器用于附接在所述个人的另一条腿的小腿或脚上，并且设有与第一和第二对第一致动器相同的成对的第二致动器，以使带具的另一侧和第二矫形器相对于框架移动，控制装置适于控制并使全部致动器的操作同步，使得在行走、跑步或体育活动这三者之一的过程中以模拟腿的自然动作的路线移动所述个人的双腿。同样优选地，有控制杆连接于控制装置，该控制杆可由所述个人操作来控制致动器的操作速度。同样优选地，控制杆包括可控制轮子的速度和方向的操纵杆。同样优选地，各第二对致动器中的致动器沿着共同枢转轴线可枢转地连接于相应的矫形器。同样优选地，带具可从各第一对致动器拆卸，使得它可以在与各第一对致动器连接之前装配到所述个人身上，并且所述控制装置适合于在连接到带具前移动各第一对致动器，以在操作致动器之前沿着模拟自然站立运动的路线将所述个人从坐姿移动到站姿，从而在所述行走、跑步或体育活动这三者之一的过程中模拟单腿或双腿的自然动作。在所附 的从属权利要求中进一步描述了本发明的各个方面的更多优选的但非必要的特征。
现在参照附图通过示例描述本发明的实施例，附图中:图1是从根据本发明的步态训练器械的第一实施例的后方和一侧观看的透视图；图2是图1所示器械的侧视图；图3是从图1和图2所示装置的前方和一侧观看的透视图；图4是表示由所述器械的控制装置对图1至图3所示装置的操作的方框图；图5是类似于图2的根据本发明的器械的第二实施例的侧视图，示出了附接于器械的器械使用者。
具体实施例方式附图所示的器械IA和IB的实施例包括锻炼和步态训练器械，适合用于残疾人的康复。在图1至4所示的第一实施例提供了练习腿的装置和有限的活动性，让使用者能够在建筑物内的受控环境中走动，并且还可以在更受限的程度上在户外走动。图5所示的器械IB的第二实施例类似于第一实施例，但是为静止的。两种器械的相同的或具有类似功能的部分在附图中给出相同的附图标记。在两个实施例中器械1A、1B包括框架2。器械IA装有成对的前轮和后轮3、4，前轮3是小脚轮，而后轮4可以在控制装置6的控制下由邻近的马达5驱动。为了安全，马达5设有制动系统。器械IB中没有轮子，但依然设有控制装置6，因为该控制装置总体上控制器械1A、IB的操作。控制装置6位于框架2的前部，与用户界面装置7结合，如下文更详细描述。框架2包括分别通过横档9a和9b在顶部和底部分别连接在器械I前部的两个垂直侧框8a和Sb上。框架2的后部敞开，使得它可以被设置成围绕所述器械的未来使用者，该使用者很可能坐着，例如坐在轮椅中。在器械IA的第一实施例中，前部小脚轮3位于横档9b和侧框8a、8b之间的接合部。后轮4及其马达5在侧框8a和Sb的底部和后部分别被固定于小的框架延伸部。在器械IB的第二实施例中，框架2装有可调支脚10以取代在相同位置上的车轮3、4。
控制装置6和用户界面装置7在侧框8a和8b之间固定于横档9a上,该横档在本实施例中以U形布置与侧框8a和Sb的部分一体地形成。横档9b形成为托盘，其上在盖13下方装有可充电电池组11和变压器12。电池组11给器械I供电，变压器12可通过干线电源为电池组充电。电池组11和变压器12设置在器械I前部的低处，以使器械稳定并且在如下所述使用者被升高和降低时或者使用者在使用过程中绊倒或俯身时起平衡作用。在一些实施例中，器械I可以通过变压器12由干线电源直接供电。这种供电方法更适合于图5所示的器械IB的静态实施例。由于图示的器械IA和IB的实施例被设计成可锻炼使用者的任一条腿或双腿，它们关于前后向的中心轴线对称。因此，在后文的说明中描述两对致动器，可以理解的是，其中一对位于器械1A、1B的一侧，另一对位于所述器械1A、1B的另一侧。这两对具有相同的结构并起相同作用。致动器本身成对地设置，使得通过协调致动器的操作，连接于器械1A、IB的部件的运动(如下面所述)可以跟随弧形的而不是直线的路线。这是重要的，因为它可以使器械1A、1B模仿自然的步态，其中器械I使用者的臀部和大、小腿的动作随从正常的生物力学路线。在这方面，控制装置6可以被编程为可操作并同步成对的致动器，以适合于器械I的独特使用者。现在说明器械1A、1B中不同的成对致动器的位置和操作。用来支撑器械I的使用者的带具15通过两对第一致动器14a、14b安装在器械1A、IB后部、侧框8a和Sb之间。成对的致动器14a、14b分别位于带具15的两侧并且它们的操作由控制装置6控制，以使它们移动带具15的相应侧，从而个人的一条腿髋部或股部由带具15相对于框架2以适当方式支撑，以在站立、平衡、行走、跨步和坐下时协助使用者的骨盆采取正确位置。要做到这一点，带具15包括腰带16、臀带17和腿带18。腰带16优选地为半刚性的衬垫结构，如果需要的话，可以被制作成附加有前撑托、后撑托或侧撑托(图中未示出)。这种附加的撑托可以与腰带16形成为一体，或者可作为一个或多个独立部分来附装。臀带17呈内凹形且 也是半刚性的衬垫结构。这种内凹形被设计成紧贴使用者的臀部，使得在站立或坐下过程中不滑出脱位。腿带18同样是半刚性的衬垫结构，并被设计成可防止在直立姿势下支撑时使用者从带具滑脱。带具15的所有部分均可调，以便通过诸如夹子、带扣、钩子和环带之类的适当器具以使它们可以围绕使用者贴身收紧。带具15通过连接攀20的快拆紧固件19可拆卸地固定在两对第一致动器14a、14b的端部，连接攀20位于带具15两侧，邻近于腰带16因而位于使用者臀部以上。连接攀20使致动器14a和14b在此位置彼此接近地连接于带具15。没有负载时，紧固件19允许带具15容易且快速地从器械I的其余部分拆下。然而，紧固件19在负载下优选地被布置成较难释放，以防止在使用器械I的过程中发生任何意外的分离。紧固件19也允许致动器14a、14b相对于带具15枢转。每一对致动器14a、14b彼此成一定角度，并且还在其长度中间分别通过可枢转地安装的托架21a和21b连接于其相应侧框8a、8b的不同部分。托架21a附装在横档22上,横档的端部固定在两个侧框8a和8b上,在直立姿势时横档紧临着器械I的使用者。位于带具15下方的是一对矫形器23，它们适于分别附装在器械I使用者的小腿上。每个矫形器23包括托垫24和足板25，前者用来通过绑带或其他固定方法连接于小腿，后者位于脚下。足板25与托垫24之间的连接可以是铰接，足板25可以是柔性的，以允许使用者将其脚趾相对于脚的其余部分弯曲。各矫形器23由第二对致动器26a、26b安装到框架2上。致动器26a、26b的端部由一个共同的枢轴销27可枢转地连接于各自的矫形器23上，该枢轴销允许致动器14a、14b相对于矫形器23围绕共同枢转轴线转动。这是很重要的，因为这确保由致动器26a、26b产生的矫形器23的运动随从自然路线而环绕闭合环路，这反映了健康人行走时脚踝所跟随的路线。致动器26a、26b彼此成一定角度，它们的另一端通过托架28可枢转地安装在相邻侧框8a或8b的不同部分。两对致动器26a、26b的操作也由控制装置6控制成这样:使得使用者的两腿和双脚在行走、跑步或体育活动这三者之一的过程中能沿着模拟自然运动的路线移动。应当理解，器械I两侧的全部致动器14a、14b、26a、26b的操作都由控制装置6来控制并同步，使得使用者的臀部、两腿和双脚相互协调地沿自然路线移动。这可以锻炼患者的肌肉，训练患者身体以自然的方式运动。在控制全部致动器的操作的同时，在器械IA的动态的第一实施例中，控制装置6还通过马达5 —致地或有差别地驱动后轮4，以使器械I能够前、后移动和拐弯。马达5的操作通过控制装置6与器械IA两侧的全部致动器14、14b、26a、26b同步，以协助使用者相对于地面以自然方式移动。用户界面装置7允许使用者对控制装置6并且因而总体地对器械1A、1B的操作进行控制。该装置包括仪器仪表，使用者借助于显示屏28和用户输入按钮29输入控制指令。在一个变形例中，显示屏28包括结合了按钮29的功能的触摸屏。显示屏28适于显示与器械1A、1B的操作方式有关的信息以及操作设定。基于安全理由，隔离器按钮30允许使用者或另一人在必要时即刻从控制装置6切断电池组11和/或变压器12来迅速切断器械1A、IB的电源。优选地，界面装置7在器械1A、1B的两侧重复设置所有按钮29、30，可以容易地让使用者用左手或右手操作，使得身体一侧的上下肢丧失功能的中风者或其他人可以很容易地使用器械1A、1B。除了界面装置7，器械1A、1B的两侧还设有连接到控制装置6的操作杆31，以供使用者控制致动器14a、14b、26a、26b的操作速度。在器械IA的动态实施例中，操作杆31采用操纵杆的形式，以使使用者能够控制后轮4的方向和速度，其通过控制装置6控制成与致动器14a、14b、26a、26b的速度同步。出于与按钮29、30 —样的理由，操作杆或操纵杆31也重复安装在侧框8a、8b上，与把手32和臂托33相邻且靠近带具15，给使用者提供便利。为了安全和防止混淆，使用者须在使用器械1A、1B之前决定使用器械1A、1B的左侧或右侧的按钮29和操作杆或操纵杆31。该信息通过界面装置7传递给控制装置6，控制装置6于是禁用来自器械1A、1B的另一侧的按钮29和操作杆或操纵杆31的信号。优选地，器械1A、IB设有反馈系统，其包括安装在矫形器23中(优选地在足板25上)以及器械I两侧的致动器14a、14b、26a、26b上的力传感器34。力传感器34将与使用者施加于足板25的压力和使用者给致动器14a、14b、26a、26b带来的阻力有关的信息回传给控制装置6。这使控制装置6能够响应使用者的动作来适当地控制全部致动器以及(在适合的情况下)马达5，例如:使用者如果开始正常行走就降低马达5的转速，或者通过致动器14a、14b、26a、26b提供阻力以强制使用者使用更多的肌肉力量来移动。更一般地，反馈系统允许控制装置6在一组预定参数内控制器械1A、1B的操作，对于任何独特的用户这些参数可通过界面装置 7编程而进入控制装置6。控制装置还可以记录与个体化疗程有关的数据，以供医疗保健人员进行分析和评价。控制装置6还可以被编程为可适当地发挥作用，例如在某些情况下制动马达5或停止致动器14a、14b、26a、26b的操作，例如在碰撞时。使用中，先将带具15给使用者戴上，然后将器械1A、1B围绕使用者移动就位，使用者很可能采用坐姿。然后，用快拆紧固件19将两对第一致动器14a、14b的端部在带具15的两侧固定。还将矫形器23固定于使用者的小腿。当使用者准备好时，可经由界面装置7开启器械1，然后器械1A、1B起动，通过成对的致动器14a、14b将使用者提升到直立姿势。带具15的形状和与其有关的连接攀20的位置(即位于臀部上方)使提升能够以自然的方式完成，带具15使使用者的骨盆能够跟随自然轨线，其中在使用者迈步前从地板起脚时各髋部与其相应的腿一起抬高。在这部分操作过程中，在器械IA的动态实施例中，控制装置6确保后轮4制动以防止框架2前滚。一旦使用者站立，控制装置6可以通过界面装置7获得信号，开始对全部致动器14a、14b、26a、26b进行预编程操作，在器械IA的动态实施例中，马达5移动使用者的腿，在行走、跑步或体育活动这三者之一的过程中沿着模拟腿的自然动作的路线移动。随着使用者的移动，成对的致动器14a和14b在控制装置6的控制下沿着自然的生物力学路线移动使用者的骨盆和髋部。同样地，连接于矫形器23的成对的致动器26a、26b相互依次受到控制并与致动器14a、14b的操作同步，以与骨盆和髋部协调地移动使用者的两腿和双脚。在器械IA的动态实施例中，控制装置6还控制马达5的操作来一致或有差别地驱动车轮4，以使器械IA前、后移动和拐弯。使用者可以通过控制杆或操纵杆31来控制这种动作以及致动器14a、14b、26a、26b的操作加速度和速度。或者，控制装置6也可以被编程为按照预定程序执行控制。这在器械IB的静态实施例中尤为适合。在所述器械的备选的静态实施例中，框架可以被布置在环形输送带表面上，在其上使用者可以练习行走。输送带表面的速度和加速度可以用操作杆31通过控制装置6控制，或者可以将控制装置6预先编程为按照预定程序执行控制。在任一情况下，控制装置6都可使输送带表面的移动和速度与致动器的操作同步。这样的实施例特别适合用于培训运动员，因为输送带可被加速到适 当的跑步速度，而致动器14a、14b、23a、23b与之同步地调整其操作。这样，运动员可以用所述器械纠正他们的步态，并强制他们的身体之后能够以加强自身训练的特定方式进行锻炼。同样为了用于训练，控制装置6也可被编程为可移动致动器14a、14b、23a、23b来模拟在各项体育运动中两腿跟随的适当路线。在图5所示的器械IB的静态实施例中，带具15基本上支持使用者的体重，使得使用者的双脚不接触地板或刚触及地板，使得双脚在器械IB使用过程中滑过地板。因此矫形器23的足板25优选地装有平滑的底面，这与用于器械IA的动态实施例的底面情况不同，在该实施例中较粗糙的底面在地板上形成更好的抓力。优选地，对器械IB下方的地板表面35进行抛光以降低对于足板25滑动的阻力。不难理解，本实施例特别适合于供残疾人使用，因为使用者不需要支撑其自身重量。然而，所述器械也可为想要锻炼或纠正单腿或单脚的步态的运动员所使用。请注意最后的评述，尽管在大多数情况下，预期器械1A、1B的使用者可能将双腿连接于矫形器23。然而，可以将器械1A、1B调整为只是对身体的一侧进行操作，以辅助单腿移动。这可以通过对控制装置6适当编程来实现。
权利要求
1.一种锻炼和步态训练器械，包括: 框架，其适于置放在地面上方； 带具，其适于相对于所述框架支撑个人； 矫形器，其适于附接在所述个人的一条腿的小腿或脚上； 第一对第一致动器，其连接于所述框架并连接于所述带具，由此所述带具的一侧被移动以相对于所述框架移动被支撑的所述个人的所述一条腿的髋部或股部； 第二对第一致动器，其连接于所述框架并连接于所述矫形器，由此所述矫形器被相对于所述框架移动；以及 控制装置，其适于控制并适于使所述致动器的操作同步，使得第一腿在所述行走、跑步或体育活动这三者之一的过程中以模拟所述腿的自然动作的路线移动。
2.如权利要求1所述的器械，其特征在于，所述框架装有轮子以便所述器械可以在地板表面上滚动。
3.如权利要求2所述的器械，其特征在于，所述框架设有各自为马达所驱动的后轮，所述马达由所述控制装置控制。
4.如权利要求3所述的器械，其特征在于，所述马达的操作通过所述控制装置与所述成对的致动器的操作同步。
5.如权利要求2至4中任一项所述的器械，其特征在于，所述框架装有一对前部小脚轮。
6.如权利要求1所 述的器械，其特征在于，所述框架被连接到机器，所述机器包括环形输送带表面，在所述表面上所述个人可以在所述支撑装置支持下练习运动，所述控制装置适于使所述输送带表面的移动与所述致动器的操作同步。
7.如权利要求1所述的器械，其特征在于，所述框架和所述带具适于将所述个人支承在地面水平上方，从而使第一腿在所述路线上移动，而其脚不触及所述地面或其脚适于在所述地面上滑过。
8.如权利要求1至7中任一项所述的器械，其特征在于，包括连接于所述控制装置的操作杆，所述操作杆可以被所述个人操作来控制致动器的操作速度。
9.如权利要求8所述的从属于权利要求2至5中任一项的器械，其特征在于，所述操作杆包括还控制所述轮子的速度和方向的操纵杆。
10.如权利要求8所述的从属于权利要求6的器械，其特征在于，所述操作杆还控制所述输送带表面的速度和操作。
11.如权利要求1至10中任一项所述的器械，其特征在于，设有第二矫形器用于连接到所述个人的另一条腿的小腿或脚，并且设有与所述第一和第二对第一致动器相同的成对的第二致动器，可相对于所述框架移动所述带具的另一侧和所述第二矫形器，所述控制装置适于控制并适于使全部所述致动器的操作同步，使得所述个人的双腿在行走、跑步或体育活动这三者之一的过程中以模拟它们的自然动作的路线移动。
12.如权利要求1至11中任一项所述的器械，其特征在于，在各第二对致动器中的所述致动器沿着共同枢转轴线可枢转地连接于其相应的矫形器。
13.如权利要求1至12中任一项所述的器械，其特征在于，所述致动器可枢转地连接于所述框架。
14.如权利要求1至13中任一项所述的器械，其特征在于，各第一对致动器可枢转地连接于所述带具。
15.如权利要求1至14中任一项所述的器械，其特征在于，包括与所述控制装置连接的反馈系统，从而响应使用所述器械和/或地板表面的所述个人的运动而控制所述致动器和任何从动轮。
16.如权利要求15所述的器械，其特征在于，所述反馈系统包括安装在所述器械两侧的矫形器和致动器上的力传感器。
17.如权利要求1至16中任一项所述的器械，其特征在于，所述矫形器各自包括腿垫和足板，所述腿垫固定在所述个人小腿上，而所述足板放置在所述个人的脚下。
18.如权利要求1至17中任一项所述的器械，其特征在于，所述带具包括腰带、臀带和腿带。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，各第一对致动器被连接于所述带具，与所述腰带相邻。
20.如利要求I至19中任一项所述的器械，其特征在于，所述带具可从各第一对致动器卸下，以便在连接于各第一对致动器之前，可以将其佩戴于所述个人，并且所述控制装置适于在连接于所述带具后移动各第一对致动器，以在操作所述致动器前将所述个人沿着模拟自然站立运动的路线从坐姿移动到站姿，从而在所述行走、跑步或体育活动的过程中模拟单腿或双腿的自然运动。
21.如所述权利要求1至20中任一项所述的器械，其特征在于，各第一对致动器通过快拆紧固件可拆卸地固定于所述带具。
22.如任何权利要求1至21中任一 项所述的器械，其特征在于，设有隔离器按钮，从而可以瞬间切断所述控制装置的电源。
全文摘要
本发明涉及一种锻炼和步态训练器械(1A、1B)，所述锻炼和步态训练器械主要但不完全用于残疾人康复，也适合那些希望纠正或改变他们的步态的运动员使用以提高运动成绩。所述器械(1A、1B)包括适于放置在地面上的框架(2)。配有带具(15)以相对于所述框架(2)支撑个人。还设有矫形器(23)，用于附装在所述个人的一条腿的小腿或脚上。第一对第一致动器(14a、14b)被连接在所述框架(1)并适于移动所述带具(15)的一侧，从而相对于框架(2)移动被支撑的所述个人的一条腿的髋部和股部。第二对第一致动器(26a、26b)被连接于框架(2)并适于相对于框架(2)移动矫形器(23)。设有控制装置(6)以控制并同步致动器(14a、14b、26a、26b)的操作，使得第一腿在行走、跑步或体育活动这三者之一的过程中以模拟所述腿的自然动作的路线移动。优选地，设有第二矫形器(23)，用于附接在所述个人的另一条腿的小腿或脚上，第二致动器(14a、14b、26a、26b)的布置与第一致动器相同，以相对于框架(2)移动带具(15)和第二矫形器(23)的另一侧。控制装置(6)因此适于控制全部致动器(14a、14b、26a、26b)的操作，使得双腿在行走、跑步或体育活动这三者之一的过程中以模拟所述腿的自然动作的路线移动。器械(1A、1B)可以有静态和动态实施例，在动态实施例中框架(2)装有轮子(3、4)。
文档编号A61H3/00GK103153254SQ201180049034
公开日2013年6月12日 申请日期2011年3月29日 优先权日2010年10月11日
发明者J·A·巴特斯, J·W·贝文顿 申请人:莫罗有限公司