专利名称：下肢关节康复训练器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种医疗器械的康复器械，特别是涉及一种被动、主动运动训练的下肢关节康复训练器。
背景技术：
现有的下肢关节康复训练器主要是由机壳、下肢托架、可调节脚支架、传动机构及控制机构等组成，其中的下肢托架则由转动节头连接在一起的大腿支架和小腿支架构成。通过传动机构驱动推杆下端作往复运动，带动下肢托架伸展和屈曲，使置于下肢托架上的患肢得到被动训练，从而达到康复治疗的目的。由于推杆位于小腿支架末端的伸缩杆端部的腿支架下，当推杆下端运行至行程终点时，即下肢托架的屈曲角度最大时，推杆的高度处于最低点，使下肢托架的长度调节及活动角度受到限制，较难满足不同身高的患者的需求。虽然在不断改进后能够适当的提高活动角度，适应能力不断增强。但是都没有摆脱结构上的限制，活动的范围适应的程度必然有限，治疗的效果就会受到很大的影响，在以这种下肢托架结构做康复被动训练时关节做的是非平动不等速运动，这种训练达不到最佳治疗效果。在手术后早期被动训练是十分必要的但是也存在一个问题病人由于缺乏手术后早期肌肉的主动收缩，均存在不同程度的肌肉萎缩。国外一般是先进行被动训练，然后有专门的医护人员对病人进行主动训练指导，这样就会受医护人员有限的限制。并且现在大多数主动训练器都是立式的，这样就会出现肢体重力的代偿的现象使主动训练达不到应有的效果。而且现在大多数康复训练器的控制都比较简单，机器一经设定后就按设定的程序运动并无监控系统，一但出现异常情况必然给患者带来安全上的隐患。
发明内容
针对现有技术所存在的问题，本实用新型的目的是研制一种活动角度完全满足人体需要、在进行康复训练时实现患者肢体平动和匀速、可在术后前期进行被动训练又可根据患者的训练情况进行不同阶段的主动训练的下肢关节康复训练器，并且患者可依靠本机自主实现主动训练。从而实现最佳治疗效果。
本实用新型所述的下肢关节康复训练器其结构，包括机壳、底板、搁腿板、可调节脚支架及设置在机壳内的传动机构及控制电路，其特征在于位于底板和搁腿板之间设有变刚度机构固定于连杆上，与连杆铰接有四根可调曲柄；可调曲柄属于从动的两根通过涨紧联接套与轴承座内的轴相联接；可调曲柄属于驱动的两根通过涨紧联接套与驱动轴相联接；底板上固定有轴承座和机壳；所述的控制电路由单片机所组成的智能控制电路；其中由信号采集模块所采集的监控信号与通过人机交互模块所设定的控制信号传至单片机，经单片机处理后传到电机驱动模块中。
本实用新型所述的变刚度机构由电机、传动机构、小齿轮、弹簧套筒、压缩弹簧、压缩杆、外齿条固定架、内齿条固定架构成；其中电机通过传动机构中的连接轴与小齿轮固定连接；小齿轮与外齿条固定架、内齿条固定架上的齿条相啮合；两个弹簧套筒内置有两根压缩弹簧并套在压缩杆上，弹簧套筒位于压缩杆中间端的为活动端，另一端固定在齿条固定支架上；弹簧套筒活动端设有挡片挡住弹簧。
本实用新型所述的控制电路还设有信号采集模块、数据通信模块；数据通信模块通过RS232总线与电脑连接；信号采集模块由弹簧位置传感器、主电机位置传感器、扭矩传感器、数模转换器构成；所有传感器都将采集的电压信号输入数模转换器转换成数字信号传给单片机。
本实用新型所述的变刚度机构的两压缩杆中间设有连接器可通过各种固定连接与搁腿板相连接。
本实用新型所述的变刚度机构中的传动机构由蜗杆、蜗轮、连接轴所构成；所述的蜗轮与连接轴固定为一体。
本实用新型所提供的下肢关节康复训练器具有以下特点(1)变刚度机构固定于连杆上，与连杆铰接有四根可调曲柄构成平行四边形机构，变刚度机构上面置有小腿搁腿板，进行被动训练时，压缩弹簧不产生压缩变形，小腿搁腿板与变刚度机构间无相对运动。训练器可满足关节的角度训练要求，不存在结构上的限制使活动的角度受损，而且对不同身高的病人只需调整可调曲柄和可调节脚支架就都会满足其训练需要。
(2)平行四边形结构在做运动时可以保持水平方向平动这样在做康复训练时可使患者关节活动平稳。
(3)在进行主动训练时，患者可依靠本机自主实现主动训练，并且本机可避免肢体重力的代偿作用。控制部分应用单片机控制传感器反馈活动信息，实现自我监控。
综上所述，本实用新型与现有的下肢关节康复器相比，可通过数据通信模块进行功能扩展，并具有适用范围广、结构简单、体积小、使用方便、安全性高、治疗效果好等优点。
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是本实用新型的变刚度结构的示意图。
图3是图2的俯视图。
图4是本实用新型的控制系统结构框图。
图中1、机壳 2、杆长调节钮 3、可调曲柄 4、变刚度机构 5、可调腿支架 6、搁腿板 7、涨紧联接套 8、轴承座 9、底板 10、显示器 11、控制键盘 12、腿支架固定旋钮 13、小腿固定带 14、电机 15、蜗杆 16、蜗轮 17、连接轴 18、小齿轮19、传动机构 20、齿条 21、压缩弹簧 22、压缩杆 23、弹簧套筒 24、连接器 25、内齿条固定架 26、外齿条固定架 27、人机交互模块 28、信号采集模块 29、数据通信模块 30、电机驱动模块 31、弹簧位置传感器 32、主电机位置传感器 33、扭矩传感器34、数模转换器 35、单片机具体实施方式
如附图所示的一种下肢关节康复训练器，包括机壳1、底板9、搁腿板6、可调节脚支架5及设置在机壳1内的传动机构及控制电路，其特征在于位于底板9和搁腿板6之间设有变刚度机构4固定于连杆上，与连杆铰接有四根可调曲柄3；可调曲柄3属于从动的两根通过涨紧联接套7与轴承座8内的轴相联接；可调曲柄3属于驱动的两根通过涨紧联接套7与驱动轴相联接；底板9上固定有轴承座8和机壳1；所述的控制电路由单片机35所组成的智能控制电路；其中由信号采集模块28所采集的监控信号与通过人机交互模块27所设定的控制信号传至单片机，经单片机35处理后传到电机驱动模块30中。所述的变刚度机构4由电机14、传动机构19、小齿轮18、弹簧套筒23、压缩弹簧21、压缩杆22、外齿条固定架26、内齿条固定架25构成；其中电机14通过传动机构19中的连接轴17与小齿轮18固定连接；小齿轮18与外齿条固定架26、内齿条固定架25上的齿条20相啮合；两个弹簧套筒23内置有两根压缩弹簧21并套在压缩杆22上，弹簧套筒23位于压缩杆22中间端的为活动端，另一端固定在齿条固定支架25、26上；弹簧套筒23活动端设有挡片挡住弹簧。所述的控制电路还设有信号采集模块28、数据通信模块29；数据通信模块29通过RS232总线与电脑连接；信号采集模块28由弹簧位置传感器31、主电机位置传感器32、扭矩传感器33、数模转换器34构成；所有传感器都将采集的电压信号输入数模转换器34转换成数字信号传给单片机35。所述的变刚度机构4的两压缩杆22中间设有连接器24可通过各种固定连接与搁腿板6相固定连接。所述的变刚度机构4中的传动机构19由蜗杆15、蜗轮16、连接轴17所构成；蜗轮16与连接轴17固定为一体。使用时，通过杆长调节钮2调整可调曲柄3的高度适合患者大腿的长度、腿支架固定旋钮12调整可调腿支架6的位置适合患者小腿的长度；然后用小腿固定带13将小腿固定在搁腿板6上。然后根据医生的指导来设定训练，本实用新型的主要功能操作(1)根据临床需要可任意设置起始和终止角度，并采用数码管显示起始、终止、实时角度及工作时间；(2)设有常规和每5min、15min、30min增加1度的4种工作模式，可自动完成循序渐进康复锻炼的全过程；(3)运行时遇到异常阻力可自动反转，确保病人安全，自动反转时的阀值可自由设定；(4)运行速度在4度/秒的范围内可任意调节，满足术后各阶段的锻炼要求；(5)设有定时关机功能，方便临床管理，定时时间0min枛255min可调；(6)配置手控器，可由患者直接控制机器的屈、伸、启、停。人机交互模块27可采用包含控制键盘11(一个4×4键盘)与显示器10(一个六位数码显示器)来组成，应用控制键盘11可进行位置调节、速度调节、模式选择等操作。在操作的同时，系统的数据通信模块29含一个RS-232标准通信接口，通过终端可对系统进行设置或扩展逻辑功能，系统专门设计了一套通用操作指令，统一了数据采集模块29与电机驱动模块30的接口，还能用于终端的功能扩展，使系统能够实现各种不同的复杂运行模式，现在提供了Windows操作系统兼容的PC平台控制软件，在未来将会推出其他平台的控制软件及开发包。目前系统中定义的控制指令包含电机的速度、方向、启停、刹车设置，位置、扭矩反馈信号采集，以及系统运行的定时等。由键盘11输入指令和操作数，按钮按下后，输入的内容显示于显示器10上。运行模式时，显示器10显示运行状态。
在做主动训练时根据医生指导，在控制键盘中设定患者该阶段最大肌力来调节变刚度机构4中压缩弹簧的行程范围，具体实施为靠近压缩杆22中间的弹簧套筒23为活动端，压缩杆22的两端为活动端。由电机驱动模块30中的变刚度机构驱动器驱动变刚度机构4中的电机带动蜗杆15转动，蜗杆15转动带动蜗轮16转动，这时同蜗轮16通过连接轴17相连接的小齿轮18就会随之转动，与小齿轮相啮合的齿条20就会带动两齿条固定架25、26运动，如果是加大刚度，两齿条固定架25、26就会向两端行进带动弹簧套筒23向两端行进，由于压缩杆22的长度是不变的，所以压缩杆22的可活动端与弹簧套筒23可活动端的相对长度就会变短，这样就压缩弹簧21使弹簧的弹力增加；放在与连接器24相连接固定的搁腿板6上的患肢用力时一根弹簧释放，一根弹簧继续压缩，两弹簧产生差力与患者用力相平衡，当压缩杆22与一侧弹簧套筒23的相对长度恢复至压缩弹簧长度时，压缩杆22顶到另一侧弹簧套筒23的顶端，这时患者腿部使用的力达到该阶段设定的阻尼力，这样就实现了患者的主动训练。
为了确保训练器的精确性、稳定性、安全性，主驱动采用了单相异步电动机，变刚度机构中为达到精确的位置控制，电机14采用了直流电机。驱动模块30中的主电驱动机构使用双向可控硅调压方式对其进行调速控制，正反转切换使用固态交流继电器SSR机型控制。变刚度驱动部分采用马达控制芯片L298。L298芯片提供了直流电机控制功能，能够进行方向和制动控制，两个输入端分别为方向和制动信号，由单片机提供。
所需的反馈信号包括主电机的位置和扭矩、变刚度机构位置，传感器反馈信号为0-5V电压模拟量，通过信号采集模块28中的转换模块(ADC0809转换器)转换为数字信号发回单片机。位置传感器使用的是高精度的旋钮电位器，电压模拟量送入转换模块(ADC0809转换器)的IN端口，转换模块(ADC0809转换器)的转换精度为8Bit，能够满足使用的需要。速度量由位置信号通过算法处理运算得到，由软件实现。扭矩传感器的模拟电压量送入转换模块(ADC0809转换器)的IN端口，结果进入单片机，并与力矩调节旋钮设定的阀值进行比较。若训练器承受的负荷超过力矩调节旋钮所设定的阀值，则单片机发出电机换向信号，经方向控制，使电机换向；反之，则保持原方向运行。由于单片机的反应速度快、精度高，再加上反馈环节这样就可以保持康复训练过程的安全性。
权利要求1.一种下肢关节康复训练器，包括机壳(1)、底板(9)、搁腿板(6)、可调节脚支架(5)及设置在机壳(1)内的传动机构及控制电路，其特征在于位于底板(9)和搁腿板(6)之间设有变刚度机构(4)固定于连杆上，与连杆铰接有四根可调曲柄(3)；可调曲柄(3)属于从动的两根通过涨紧联接套(7)与轴承座(8)内的轴相联接；可调曲柄(3)属于驱动的两根通过涨紧联接套(7)与驱动轴相联接；底板(9)上固定有轴承座(8)和机壳(1)；所述的控制电路由单片机(35)所组成的智能控制电路；其中由信号采集模块(28)所采集的监控信号与通过人机交互模块(27)所设定的控制信号传至单片机(35)，在由单片机(35)处理后传到电机驱动模块(30)中。
2.根据权利要求1所述的下肢关节康复训练器，其特征在于所述的变刚度机构(4)由电机(14)、传动机构(19)、小齿轮(18)、弹簧套筒(23)、压缩弹簧(21)、压缩杆(22)、外齿条固定架(26)、内齿条固定架(25)构成；其中电机(14)通过传动机构(19)中的连接轴(17)与小齿轮(18)固定连接；小齿轮(18)与外齿条固定架(26)、内齿条固定架(25)上的齿条(20)相啮合；两个弹簧套筒(23)内置有两根压缩弹簧(21)并套在压缩杆(22)上，弹簧套筒(23)位于压缩杆(22)中间端的为活动端，另一端固定在齿条固定支架(25、26)上；弹簧套筒(23)活动端设有挡片挡住弹簧。
3.根据权利要求1所述的下肢关节康复训练器，其特征在于所述的控制电路还设有信号采集模块(28)、数据通信模块(29)；数据通信模块(29)通过RS232总线与电脑连接；信号采集模块(28)由弹簧位置传感器(31)、主电机位置传感器(32)、扭矩传感器(33)、数模转换器(34)构成；所有传感器都将采集的电压信号输入数模转换器(34)转换成数字信号传给单片机(35)。
4.根据权利要求1所述的下肢关节康复训练器，其特征在于所述的变刚度机构(4)的两压缩杆(22)中间设有连接器(24)可通过各种固定连接与搁腿板(6)相固定连接。
5.根据权利要求1或2所述的下肢关节康复训练器，其特征在于所述的变刚度机构(4)中的传动机构(19)由蜗杆(15)、蜗轮(16)、连接轴(17)所构成；蜗轮(16)与连接轴(17)固定为一体。
专利摘要本实用新型涉及一种下肢关节康复训练器。该下肢关节康复训练器包括机壳、搁腿板、可调节脚支架及设置在机壳内的传动机构及控制电路，其特征在于位于底板和搁腿板之间设有变刚度机构。变刚度机构由电机、传动机构、小齿轮、弹簧套筒、压缩弹簧、压缩杆、外齿条固定架、内齿条固定架构成；控制电路还设有信号采集模块。本实用新型的平行四边形的结构活动角度完全满足人体需要、在进行康复训练时实现患肢平动和匀速、可根据训练情况做不同阶段的主动训练，与现有的下肢关节康复器相比，本实用新型其适用范围广、安全性高、治疗效果好等优点。适用于医院的骨科、康复科患者手术治疗后进行恢复下肢关节正常生理功能的康复性治疗。
文档编号A63B23/08GK2907638SQ20062020043
公开日2007年6月6日 申请日期2006年5月18日 优先权日2006年5月18日
发明者王广欣, 葛宰林, 王卫朝, 赵振东, 魏悦 申请人:大连交通大学