半外骨骼上肢康复仪的制作方法

本发明涉及医疗器械领域，具体地，涉及半外骨骼上肢康复仪。

背景技术：

研究表明，无论是对于偏瘫还是骨科手术后的患者，重复康复训练可以大幅度地提高肩关节的运动性能。大量临床试验证明，偏瘫或者骨科手术后尽早进行康复训练可以在短期内产生有益影响。对于偏瘫患者而言，早期的康复训练可以促进大脑皮层运动神经可塑性发展，促进患病部位神经组织重组与代偿，提高相关神经系统兴奋性和对外界刺激的反应能力，有利于尽早恢复运动功能并保持相应关节的活动度、提高运动协调能力；对于骨科患者而言，早期康复训练可以有效预防肌肉萎缩、骨质疏松以及痉挛等并发症。

传统上肢康复训练采取理疗师与患者的一对一康复训练。这种训练方式存在诸多问题:首先，我国现有理疗师数量有限，无法满足日益增长的一对一康复训练需求。理疗师供不应求进一步导致了患者高康复成本困境；其次，由于理疗师人因不确定性，无法充分保证康复训练力度和强度的一致性；康复训练效果很大程度上取决于理疗师经验和专业水平，无法确保训练有效性。国内外研究表明，目前上肢康复训练最好的办法是利用外部装置及早对患者上肢进行无负荷无重力的被动运动。随着科学技术的发展，医疗机器人技术得到快速发展。康复仪就是机器人技术在康复医疗方面的新应用。机器人不存在疲倦问题，可全天工作，而且能够满足不同患者的训练强度要求，因而有利于提高患者康复质量和康复效率。

现有一些上肢康复仪大多数为外骨骼式，即：将人体上臂和前臂分别固定在机器部件上，并通过驱动肩关节旁边布置的旋转轴，实现康复训练所需的特定几种上肢运动。这种结构形式的康复仪看似功能易于实现，控制起来也比较方便，但往往存在“人体肩关节旋转中心与康复仪机构旋转中心不重合，在运动过程中手臂与支架分离距离过大；上臂与支架的前后运动影响小臂与支架的连接；而手臂与支架之间的柔性固定带过度拉伸，产生额外作用力”的缺陷。有些产品虽然满足人体肩关节旋转中心与机器的旋转中心重合，但是由于上肢固定方式存在缺陷，导致训练效果不理想。现有的产品大多数只能对患者某一侧上肢进行康复训练，往往结构复杂笨重，对不同患者病症情况的适应性不足。

中国发明专利公开号：CN102309393A，名称：外骨骼式上肢康复机器人，包括五自由度或三自由度机械臂，辅助机构、及控制系统。该发明机械结构比较复杂。虽然可以保证人体肩关节旋转中心与机器旋转中心重合，但是其对患者上肢上臂和前臂固定方式会加重对患者上肢肌肉的负荷，造成患者的不适，导致该上肢康复机器人做肩关节的内旋/外旋运动时效果并不明显。而且，该发明只能单一的对患者某一侧上肢进行康复训练。如果想对患者两侧上肢交替进行康复训练，则需要配备两个上述康复训练机器人。

中国发明专利公开号：CN102379793A，名称：一种上肢康复训练机器人，包括第I关节、第II关节、第III关节、第IV关节和第V关节，且5个关节依次串联形成主体结构。该发明机械结构比较复杂，对患者上肢上臂和前臂均进行了固定，加重了对患者上肢肌肉的负荷。由于上臂和前臂旋转姿态复杂，同步性难以控制，因此康复训练时容易对患者造成额外负担和二次损伤。而且，该发明只能单一的对患者某一侧上肢进行康复训练。如果想对患者两侧上肢交替进行康复训练，则需要配备两个上述康复训练机器人。

此外，目前绝大部分专利或产品都是将康复机器人的其中一个旋转轴放置在离患者肩关节比较近的位置。这样的结构布置存在安全隐患：某些零部件离人体比较近，患者在康复训练过程中稍不注意就有可能会和这些部件产生碰撞。

综上所述，已有一些上肢康复器械或不能完全实现康复训练要求的动作，或者实现动作的效果不佳，存在二次伤害隐患，或器材结构复杂、产品价格昂贵，使得康复训练成本居高不下，难以被一般大众接受。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种半外骨骼上肢康复仪。

根据本发明提供的半外骨骼上肢康复仪，包括：底座、控制系统、动力系统、输入输出设备，半外骨骼上肢康复仪还包括第一运动组合或者第二运动组合；其中：

所述底座用于放置动力系统并提供对控制系统、输入输出设备，以及对第一运动组合或者第二运动组合的支撑；

所述控制系统用于对康复仪采集的训练数据进行管理；

所述动力系统用于给第一运动组合或者第二运动组合提供驱动能；

所述输入输出设备用于输入用户的训练指令，以及显示训练过程中生成的数据；

所述第一运动组合或者第二运动组合用于配合用户完成上肢运动。

优选地，还包括座椅，所述座椅为高度可调节座椅。

优选地，所述底座包括：底座箱体、电机支架和支座以及本地处理器支座，所述底座箱体底部安装带有自锁机构的万向轮，上部设有立臂转轴轴孔，所述电机支架、支座和本地处理器支座安装在底座箱体内部所述电机支座上安装立臂驱动电机。4、根据权利要求3所述的半外骨骼上肢康复仪，其特征在于，所述第一运动组合包括：立臂、大臂以及小臂，所述立臂的一端设置有转轴结构，所述转轴结构通过联轴器与底座内的立臂驱动电机相连，所述立臂的另一端设有大臂转轴轴孔和电机支座，所述电机支座上安装有大臂驱动电机，所述大臂一端设有转轴结构，所述转轴结构通过联轴器与立臂上的大臂驱动电机相连，所述大臂的另一端设置有电机支座，所述电机支座上安装小臂驱动电机，所述小臂一端设有转轴结构，所述转轴结构通过联轴器与大臂上的小臂驱动电机相连。

优选地，所述底座包括：底座箱体、支架以及本地处理器支座，所述底座箱体底部安装带有自锁机构的万向轮，上部设有支架的安装定位结构，所述本地处理器支座安装在底座箱体内部，；所述支架的一端通过法兰安装在底座箱体上部，另一端设有拐臂转轴轴孔和电机支座，所述电机支座上安装拐臂驱动电机。

优选地，所述第二运动组合包括：拐臂、大臂和小臂，所述拐臂的一端设置有转轴结构，所述转轴结构通过联轴器与支架上的拐臂驱动电机相连，所述拐臂的另一端设置有大臂转轴轴孔和电机支座，所述电机支座上安装大臂驱动电机，所述大臂一端设有转轴结构，所述转轴结构通过联轴器与拐臂上的大臂驱动电机相连，所述大臂的另一端设有电机支座，所述电机支座上安装小臂驱动电机；所述小臂一端的设有转轴结构，所述转轴结构通过联轴器与大臂上的小臂驱动电机相连。

优选地，所述大臂上还设置有人体上臂长度调整机构，所述人体上臂长度调节机构包括：四个支撑件、两根滑杆以及滑块；其中，四个支撑件安装在大臂上，且支撑件上设有开槽，两根滑杆通过紧固螺钉固定在支撑件上；滑块通过紧固螺钉固定在滑杆上，且滑块的一侧设有开槽；小臂驱动电机支架安装在滑块上。

优选地，所述小臂上还设有人体前臂固定装置，所述人体前臂固定装置用于将人体上肢前臂固定在小臂上，固定方式包括：柔性带。

优选地，所述控制系统包括：远程计算机、本地处理器、传感器；具体地，

所述远程计算机用于对用户的个人信息进行管理，建立针对每个用户的训练进度；

所述本地处理器用于将用户训练生成的数据存储和发送至远程计算机，安装在底座内部支座上；

所述传感器包括：编码器和力矩传感器，矩传感器用于监控康复运动过程中的力矩大小，编码器用于检测并反馈动力系统电机的旋转角。

优选地，所述动力系统包括：驱动电机及相关配件；所述输入输出设备包括：显示器和手持控制器，显示器用于显示康复训练过程中生成的数据；手持控制器用来选择康复训练的运动模式以及调整运动范围和运动速度，其中康复训练的运动模式包括：手动调整模式和自动运行模式。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的半外骨骼上肢康复仪能够遵循仪器与人体关节旋转中心重合原则，避免康复仪运动体与人体(上肢)运动轨迹和位姿的偏差，有效避免康复训练过程中患者的二次伤害，提高康复运动的安全性和有效性。

2、本发明提供的半外骨骼上肢康复仪保留人体姿态的局部调整自由度，提高康复训练的舒适度；采用简洁机械结构实现多种康复训练运动，肩关节运动的转动自由度只有两个，却可以实现患者的肩关节三种基本运动、肘关节的屈/伸运动以及其他形式的复合运动。

3、本发明提供的半外骨骼上肢康复仪可以快速的实现对人体左右上肢的轮换康复训练；仪器操作方便、运动模式多样，既可手动调整，也可以自动运行；通过远程监控，根据患者个人账号的康复训练进度制定康复训练计划，调整康复运动速度和康复运动范围，有利于提高恢复训练的效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为采用第一运动组合时的半外骨骼上肢康复仪的结构示意图；

图2为采用第二运动组合时的半外骨骼上肢康复仪的结构示意图；

图3为底座的结构示意图；

图4为第一运动组合的结构示意图；

图5为第二运动组合的结构示意图；

图6为本发明中大臂和小臂的整体结构示意图；

图7为本发明中小臂的结构示意图；

图8为本发明中控制系统的原理框图；

图中：

1-底座；

101-万向轮；

102-底座箱体；

103-电机支座；

104-电机支架；

105-立臂传动轴；

106-联轴器；

107-立臂行星轮减速电机；

201-立臂；

202-拐臂；

203-支架；

204-大臂行星轮减速电机；

205-拐臂行星轮减速电机；

3-大臂；

301-大臂传动轴；

302-支撑件；

303-紧固螺钉；

304-槽；

305-滑杆；

306-刻度；

307-滑块；

4-小臂；

401-小臂支撑板；

402-法兰轴；

403-带手轮的螺钉；

404-螺纹孔；

405-小臂调节支架；

406-小臂行星轮减速电机

407-小臂电机联轴器

5-手持控制器；

6-显示屏；

7-座椅；

8-处理器模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的半外骨骼上肢康复仪，通过控制肩关节的两个转动自由度以及控制肘关节运动的一个转动自由度实现上肢康复训练的四种基本动作和基于基本动作组合的康复训练运动；通过将肩、肘关节控制机构的旋转中心与人体肩、肘关节旋转中心重合，避免康复仪运动体与人体(上肢)运动轨迹和位姿的偏差，提高康复运动的舒适性、安全性和有效性；通过将患者上肢前臂与康复仪运动体固定，建立上肢空间运动的可控向量；通过对前臂向量的控制实现上肢空间运动轨迹和位姿控制；通过不将人体上臂与康复机械运动体固定，使人体可根据自身生理条件进行肩关节和上臂姿态的局部调整；通过保留上肢前臂旋前和旋后的自由度，使进行直臂肩关节屈/伸、外展/内收等被动运动时病人可自然地旋转上肢，从而减轻恢复训练中不适感和不当负荷；通过康复仪本地预设运动和远程医疗监控运动相结合的方式，实现个性化上肢康复训练的目的。

本发明提供的半外骨骼上肢康复仪包括：底座、控制系统、动力系统、输入输出设备，以及第一运动组合或者第二运动组合；其中：

所述底座用于放置动力系统并提供对控制系统输入输出设备，以及第一运动组合或者第二运动组合的支撑；

所述控制系统用于对康复仪采集的数据进行管理；

所述动力系统用于给第一运动组合或者第二运动组合提供驱动能；

所述输入输出设备用于输入用户的训练指令以及显示训练过程中生成的数据；

所述第一运动组合或者第二运动组合用于配合用户完成上肢运动。

还包括座椅，所述座椅为高度可调节座椅，从而能调整患者肩膀高度。

方案一：所述底座包括：底座箱体、电机支架和支座以及本地处理器支座，所述底座箱体底部安装带有自锁机构的万向轮，上部设有立臂转轴轴孔，所述电机支座和本地处理器支座安装在底座箱体内部，所述电机支座上装有立臂驱动电机。其中，所述底座能够实现康复仪整体移动以及康复仪和人体相对位置调整(如左右侧上肢训练时的位置调整)。

所述第一运动组合包括：立臂、大臂以及小臂，所述立臂的一端设置有转轴结构，所述转轴结构通过联轴器与底座内的立臂驱动电机相连，所述立臂的另一端设有大臂转轴轴孔和电机支座，所述电机支座上安装有大臂驱动电机，所述大臂一端设有转轴结构，所述转轴结构通过联轴器与立臂上的大臂驱动电机相连，所述大臂的另一端设有电机支座，所述电机支座上安装小臂驱动电机，所述小臂一端设有转轴结构，所述转轴结构通过联轴器与大臂上的小臂驱动电机相连其中，所述立臂可绕竖直方向轴转动，并可通过调整患者坐姿使立臂转动轴中心线通过肩关节旋转中心，通过立臂转动实现肩关节内旋/外旋被动运动。

方案二：所述底座包括：底座箱体、支架和本地处理器支座，所述底座箱体底部安装带有自锁机构的万向轮，上部设有支架的安装定位结构，所述本地处理器支座安装在底座箱体内部，；所述支架的一端通过法兰安装在底座箱体上部，支架的另一端设有拐臂转轴轴孔和电机支座，所述电机支座上安装拐臂驱动电机。其中，所述底座能够实现康复仪整体移动以及康复仪和人体相对位置调整(如左右侧上肢训练时的位置调整)。

所述第二运动组合包括：拐臂、大臂和小臂，所述拐臂的一端设置有转轴结构，所述转轴结构通过联轴器与支架上的拐臂驱动电机相连，所述拐臂的另一端设置有大臂转轴轴孔和电机支座，所述电机支座上安装大臂驱动电机，所述大臂一端设有转轴结构，所述转轴结构通过联轴器与拐臂上的大臂驱动电机相连，所述大臂的另一端设有电机支座，所述电机支座上安装小臂驱动电机；所述小臂一端的设有转轴结构，所述转轴结构通过联轴器与大臂上的小臂驱动电机相连其中，所述拐臂可绕竖直方向轴转动，并可通过调整患者坐姿使拐臂转动轴中心线通过肩关节旋转中心，通过拐臂转动带动患者上肢运动，实现肩关节内旋/外旋被动运动。

所述大臂上还设置有人体上臂长度调整机构，以适应不同患者的上肢上臂长度；所述人体上臂长度调节机构包括：四个支撑件、两根滑杆以及滑块；其中，四个支撑件安装在大臂上，且支撑件上设有开槽，两根滑杆通过紧固螺钉固定在支撑件上；滑块通过紧固螺钉固定在滑杆上，且滑块的一侧设有开槽；小臂驱动电机支架安装在滑块上。所述大臂可绕水平方向轴转动，并可通过调整患者坐高使大臂转轴中心线通过肩关节旋转中心，通过大臂转动实现肩关节屈/伸以及外展/内收被动运动。

所述小臂上还设有人体前臂固定装置，所述人体前臂固定装置用于将人体上肢前臂固定在小臂上，固定方式包括：柔性带。所述小臂可绕水平方向轴转动，并可通过操作大臂上的上臂长度调整机构使小臂转轴中心线通过患者肘关节旋转中心，通过小臂转动实现肘关节屈/伸被动运动。

所述控制系统包括：远程计算机、本地处理器、传感器。具体地，远程计算机可以对患者个人信息进行管理，即建立患者个人信息账号并记录康复训练进度，方便医生对每位患者进行针对性的康复训练；本地处理器用于康复仪运动体控制、病人训练信息存储和发送；传感器主要包括编码器和力矩传感器，其中力矩传感器安装在减速器与执行机构之间，用来监控康复运动过程中的力矩大小，编码器可以检测并反馈电机的旋转角，对康复过程进行限位保护。

所述动力系统包括：驱动电机，及其附件；驱动电机可采用(不限于)行星轮减速电机。

所述输入输出设备包括：显示器和手持控制器。其中，显示器用于显示康复训练过程中的各种数据；手持控制器用来选择康复训练的运动模式以及调整运动范围和运动速度等；康复运动模式包括手动调整和自动运行两种。

下面结合具体实施例对本发明做更加详细的说明。

如图1所示，将本半外骨骼上肢康复仪放置在水平地面上，调节至初始位置：将显示屏6置于座椅前方；使患者正对着显示屏6坐在座椅7上；调整底座1位置和立臂201转角使运动体位于患者体侧，调整小臂支撑板401至指向显示屏6方向，然后拧紧螺钉402固定；调整座椅7高度，使行星轮减速电机204输出轴的旋转中心线穿过患者肩关节旋转中心(水平方向)；患者自身调整坐姿，使行星轮减速电机107(见图3)输出轴旋转中心线穿过患者肩关节旋转中心(竖直方向)；松开紧固螺钉303，移动滑块307，以适应患者上肢上臂的长度，使行星轮减速电机406输出轴的旋转中心穿过患者的肘关节旋转中心，拧紧紧固螺钉303，并记录此时滑块上缘对应的刻度，方便患者下次康复训练时进行调整(见图6)；最后用柔性带将患者上肢前臂固定在小臂支撑板401上。此时上臂前屈或外展的转角均可认为是0°。

进行肩关节的屈/伸被动运动，首先按下手持控制器5上的回零按钮，控制运动体调整回到初始位置(如图1所示)。此时，其余电机均静止不动，控制系统控制行星轮减速电机204往复转动一定的角度(该角度由医生根据患者的康复水平确定)。电机204输出轴的往复转动带动大臂3和小臂4运动，使患者上肢绕肩关节的旋转中心转动，实现肩关节屈/伸运动。

进行肩关节的外展/内收被动运动，首先按下手持控制器5上的回零按钮，控制运动体调整回到初始位置(如图1所示)。此时，其余电机静止不动，控制系统控制行星轮减速电机204转动90°带动大臂3使使患者上臂抬起至水平，然后电机204自锁；控制系统控制行星轮减速电机107(见图3)带动立臂朝患者身后方向转过90°，使患者上臂水平展开至身侧，此时行星轮减速电机204的输出轴中心线从患者身后穿过肩关节旋转中心，然后电机107自锁；控制系统控制行星轮减速电机204往复转动一定角度(该角度由医生根据患者的康复水平确定)，通过电机输出轴往复转动带动康复仪的大臂3和小臂4运动，使患者上肢绕肩胛骨的旋转中心转动，实现肩关节的外展/内收运动。

进行肩关节的外旋/内旋被动运动，首先按下手持控制器5上的回零按钮，控制运动体调整回到初始位置(如图1所示)。此时，其余电机静止不动，控制系统控制行星轮减速电机107往复转动一定角度(该角度由医生根据患者的康复水平确定)。电机输出轴的往复转动带动立臂201、大臂3和小臂4运动，使患者上肢绕肩胛骨旋转中心转动，实现肩关节的外旋/内旋运动。

进行肘关节的屈/伸被动运动，首先按下手持控制器5上的回零按钮，控制运动体调整回到初始位置(如图1所示)，此时，其余电机静止不动，控制系统控制行星轮减速电机406(见图6)往复转过一定角度(该角度由医生根据患者的康复水平确定)。电机输出轴的往复转动带动小臂支撑板401使患者上肢前臂绕肘关节转动，实现肘关节屈/伸运动。

如图2所示，将本半外骨骼上肢康复仪放置在水平地面上，调节至初始位置：将显示屏6置于座椅7前方；使患者正对着显示屏6坐在座椅7上；调整底座1位置和拐臂202转角使康复仪运动体位于患者体侧，调整小臂支撑板401至指向显示屏6方向，然后拧紧螺钉进行固定；调整座椅7位置并让患者自身调整坐姿，使行星轮减速电机205输出轴旋转中心线穿过患者肩关节旋转中心(竖直方向)；调整座椅7高度，使行星轮减速电机204输出轴的旋转中心线穿过患者肩关节旋转中心(水平方向)；松开紧固螺钉303，移动滑块307，以适应患者上肢上臂的长度，并使行星轮减速电机406输出轴(见图6)的旋转中心穿过患者的肘关节旋转中心，拧紧紧固螺钉303固定，并记录此时滑块上缘对应的刻度值，方便患者下次康复训练时进行调整；最后用柔性带将患者前臂固定在小臂支撑板401上。此时上臂前屈或外展的转角均可认为是0°。

进行肩关节的屈/伸被动运动，首先按下手持控制器5上的回零按钮，控制运动体调整回到初始位置(如图2所示)。此时，其余电机均静止不动，控制系统控制行星轮减速电机204往复转动一定的角度(该角度由医生根据患者的康复水平确定)。电机输出轴的往复转动带动大臂3和小臂4运动，使患者上肢绕肩关节的旋转中心转动，实现肩关节屈/伸运动。

进行肩关节的外展/内收被动运动，首先按下手持控制器5上的回零按钮，控制运动体调整回到初始位置(如图2所示)。此时，其余电机均静止不动，控制系统控制行星轮减速电机204转动90°使患者上臂抬起至水平位置，然后电机204自锁；控制系统控制行星轮减速电机205转动带动拐臂朝患者身后方向转过90°，使患者上臂水平展开至身侧。此时行星轮减速电机204的输出轴中心线从患者身后穿过肩关节旋转中心，然后电机205自锁；控制系统控制行星轮减速电204往复转动一定角度(该角度由医生根据患者的康复水平确定)，通过电机输出轴往复转动带动康复仪的大臂3和小臂4运动，使患者上肢绕肩胛骨的旋转中心转动，实现肩关节的外展/内收运动。

进行肩关节的外旋/内旋被动运动，首先按下手持控制器5上的回零按钮，控制运动体调整回到初始位置(如图2所示)，此时，其余电机均静止不动，控制系统控制行星轮减速电机205往复转动一定角度(该角度由医生根据患者的康复水平确定)。电机输出轴的往复转动带动拐臂202、大臂3和小臂4运动，使患者上肢绕肩胛骨旋转中心转动，实现肩关节的外旋/内旋运动。

进行肘关节的屈/伸被动运动，首先按下手持控制器5上的回零按钮，控制运动体调整回到初始位置(如图2所示)，此时，其余电机均静止不动，控制系统控制行星轮减速电机406往复转过一定角度(该角度由医生根据患者的康复水平确定)。电机输出轴的往复转动带动小臂支撑板401使患者上肢前臂绕肘关节转动，实现肘关节屈/伸运动。

若患者的两侧上肢均发生疾患，需要对两侧上肢进行康复治疗时，可以待一侧上肢进行完一次康复治疗后，将康复仪移动到患者的另一侧，并将小臂支撑板401旋转180°后固定，即可进行另一侧上肢的康复训练。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。