專利名稱：一種訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種中樞神經康復訓練設備，特別涉及一種對偏癱患者上肢在多平面多姿態 調整下，進行多關節協同訓練并結合上肢肌群針對性訓練的康復平臺，屬于醫療康復器械技 術領域。
背景技術：
腦卒中具有發病率高、死亡率高、致殘率高的特點，我國為該病高發國家。據國家衛生 部統計，近幾年，我國腦卒中發病率約為180/10萬，患病率為620/10萬，死亡率為89. 93/10 萬，每年新發病例約150萬，死亡近100萬。目前有腦卒中患者總數約600萬，3/4的幸存 者有不同程度的殘疾，勞動能力喪失，生活依賴他人照顧，給家庭及社會帶來沉重負擔。偏 后，及早進行康復訓練可以大大減少致殘的可能性，可恢復絕大部分運動功能。尋求有效 的康復手段，幫助患者免去心理生理負擔，重新建立全部或者部分運動功能，不僅有利于提 高患者自身的生活質量，更有利于從總體上減輕社會負擔。
傳統的康復治療中，治療師手把手地對患者進行一對一的康復訓練，這種方式的訓練效 率和訓練強度難以保證，訓練效果受到治療師水平的影響，而且缺乏評價訓練參數和康復效 果關系的客觀數據，難以對訓練參數進行優化以獲得最佳治療方案。神經康復機器人是依據 偏癱康復的醫學基礎，將機器人技術結合傳感器技術、信息技術、電子通信技術，以代替傳 統醫療師進行康復護理的治療機器人。此外，機器人可以記錄詳實的治療數據及圖形，能提 供客觀、準確的治療和評價參數，有助于機器人輔助治療偏癱研究的深入開展，具有改善康 復效果和提高康復效率的潛力。近年來，國外一些研究機構開展了上肢康復機器人的研究， 已得到一些初步的結論。
在己有的康復機器人中，1984年MIT的Hogan等人申請的US5， 466， 213號美國專利"交 互式機器人治療師(interactive robotics therapist)"中公開了一種上肢運動康復訓練設 備，該設備采用五連桿機構，兩個驅動電機作為連桿驅動安裝在同一軸在線，機構的運動平 面為水平面。該設備可以牽引患者的上肢完成水平面內的指定運動，采用阻抗控制，能夠實 現反向驅動功能，具有主動和被動訓練方式，能夠記錄動作的運動軌跡、速度、輔助力等參 數。然而，Hogan等人發明的不足之處在于只能實現上肢在水平面的運動，發揮了肩肘協同 訓練的優勢。但在多關節協調訓練中對于肩關節只能完成水平外展內收這一動作。而偏癱患 者肩關節的臨床康復訓練中至少需要實現四個動作前方上舉，外展內收以及內旋外旋。另 外，Hogan等人的發明沒有提供針對特定肌群訓練，針對肩、肘關節的訓練動作是小范圍的 水平運動。
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2007年日本大阪大學的Furusho Junji等人申請的，公開號為2006247280 A的日本專 利"上肢康復訓練器械(UPPER EXTREMITY REHABILITATION APPARATUS)"中公開了一種6自 由度康復運動訓練設備。該設備具有6自由度，可以實現帶動患者上肢在水平范圍和垂直于 水平面的范圍實現運動訓練，配合虛擬顯示，可以使患者模擬生活中真實運動環境進行訓練， 增大肩、肘關節的運動范圍，完成前方上舉的訓練，該設備還提供腕關節訓練。然而，Furusho Junji等人的發明受限于固定的訓練桌面，只能在垂直于水平方向實現小范圍運動，由于采 用6自由度的連桿機構，不能實現患者的自主運動，不利于患者發揮患肢的殘余功能。
發明內容
本發明的目的是提供一種用于偏癱患者上肢的空間運動訓練的康復訓練機器人，它不僅 可以實現患者上肢多關節進行大范圍的主動和被動協同配合訓練，以達到在多關節協同訓練 時對特定肌群進行針對性訓練的目的，而且通過調整訓練平面的姿態，可以針對不同身體條 件的患者進行個性化康復訓練環境選擇，其中相對水平面角度的調整和整體平臺高度的調整 可以使患者上肢在空間多平面內進行運動訓練。
為了實現上述目的，本發明提出如下技術方案實現
一種訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置，該上肢偏癱康復機器人裝置包括座椅7，
底座9，訓練平面3，安裝在訓練平面上的機械臂4、腕部固定托架5以及控制系統，還包括 一個用于調節訓練平面相對于地面的高度，以及訓練平面與水平面的夾角的訓練平面調節裝 置。
該訓練平面調節裝置包括一個升降立柱1和一個電動推桿2,升降立柱1的一端固定在 底座9上，另一端與訓練平面3鉸鏈；電動推桿2的兩端分別與底座9和訓練平面3鉸鏈。
機械臂4由機械大臂12、機械小臂13、大臂驅動電機15、小臂驅動電機16和機械臂安 裝支架14組成；機械大臂12由雙并聯桿和齒形帶18組成，齒形帶18布置在并聯桿之間構 成簡支梁形式；所述機械大臂12的一端通過機械臂安裝支架14固定在訓練平面3上，另一 端和機械小臂13的一端通過鉸鏈連接；機械小臂13的另一端通過萬向聯軸節22與腕部固定 托架5連接，并通過滾動副與訓練平面3連接。
機械臂4位于訓練平面3的中心位置，在靠近機械小臂13末端的訓練平面3的一側安裝 有肘部托架6，肘部托架6通過導軌左右互換安裝，以適應于左右患肢的不同訓練需求。
腕部固定托架5通過萬向聯軸節22固定在機械小臂13末端，螺栓21通過螺紋將上托架 23和下托架20固定在萬向聯軸節22上端面，手柄19套裝在螺栓21外部，腕部固定托架5 用于固定患肢的腕關節，在機械臂帶動下可以保持相同方向。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性特點(l)本發明首次提出訓練平面的整 體高度和相對于人體水平面角度可大范圍調節的技術方案，可以針對患者進行個性化調整， 以使康復訓練環境達到最適合的患者需求的訓練姿態，避免了對患側肢體造成的牽拉或制約;(2)在多關節以及關節各肌群協調訓練中，可以針對上肢不同肌群的訓練需要對訓練平面姿態 進行調整；并在肩、肘關節上舉運動和下擺運動等多種運動姿態大范圍運動訓練中，將重力 逐步引入康復訓練中，以模擬真實生活環境，有效提高康復訓練效果；(3)腕部固定托架和肘 部托架部分可以為自主運動嚴重喪失的患者在運動訓練時提供支撐和保護，可使患者完成訓 練的支撐力較小，盡量發揮殘肢的剩余功能，可以滿足左右側患肢訓練需要。
圖1是訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置的整體結構示意圖。
圖2是訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置連接結構示意圖。
圖3A-3D是訓練平面調整過程的示意圖。
圖4是機械臂的結構示意圖。
圖5是腕部固定托架的結構示意圖。
圖6是肘部托架的安裝示意圖。
圖中l一升降立柱；2—電動推桿；3 —訓練平面；4一機械臂；5 —腕部固定托架；6 — 肘部托架；7 —座椅；8 —第一鉸鏈；9一底座；IO —可拆卸萬向輪；ll一急停開關；12_機械 大臂；13 —機械小臂；14一機械臂安裝支架；15 —大臂驅動電機；16 —小臂驅動電機；17 —
齒輪；18 —齒形帶；19一手柄；20 —下托架；21_螺栓；22 —萬向聯軸節；23_上托架；24
一第二鉸鏈；25 —第三鉸鏈。
具體實施例方式
圖1為訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置的結構示意圖，該上肢偏癱康復機器人
裝置包括座椅7，底座9，訓練平面3，安裝在訓練平面上的機械臂4、腕部固定托架5以及 控制系統，還包括一個用于調節訓練平面相對于地面的高度，以及訓練平面與水平面的夾角 的訓練平面調節裝置。訓練平面調節裝置包括一端與底座9固定，其另一端與訓練平面3鉸 接的升降立柱l，以及兩端分別與底座9和訓練平面3鉸接的用于角度調節的電動推桿2。機 械臂4在訓練平面3所在的平面內運動，腕部固定托架5通過萬向聯軸節22與機械臂4連接， 患者的座椅7面向機械臂正向放置，可進行適當調節。訓練過程中，患者坐在座椅面向訓練 平面，訓練平面3調整到相應需要的訓練高度和角度，由左手(或右手)把持腕部固定托架 5上的手柄19，左肘(右肘)受肘部托架6支撐，機械臂4帶動上肢完成一定軌跡運動。
圖2為升降和角度調節機構示意圖，如圖所示，包括一個可以調節傾斜角度和升降高度 的訓練平面3，訓練平面3與升降立柱1通過鉸鏈8鉸接，可實現訓練平面3圍繞第一鉸鏈8 轉動，電動推桿2與訓練平面3通過第二鉸鏈24鉸接，與底座9通過第三鉸鏈25鉸接，訓 練時，控制系統分別控制升降立柱1和電動推桿2的伸縮量，以實現調節訓練平面相對于地 面的高度和訓練平面與水平面的夾角，以適應不同體型患者的需要。底座四周布置有四組可 拆卸的萬向輪IO，方便搬運，在底座9上安裝有急停開關11，可以在異常情況下緊急制動。
圖3為訓練平面調整過程的示意圖。其中圖3A和圖3B表示的訓練平面3進行上舉訓練 時的調整極限角度示意圖，電動推桿2伸出達到設計極限位置，與水平面的最大角度為+70 度，圖3C和3D表示的是進行下擺運動時的調整極限角度示意圖，升降立柱l伸出達到極限 位置，此時與水平面的最大角度為-50度。
圖4為機械臂的結構示意圖。機械臂4主要由機械大臂12和機械小臂13構成，機械大 臂12的一端通過機械臂安裝支架14固定在訓練平面3上，另一端和機械小臂13的一端通過 鉸鏈連接；機械小臂13的另一端通過萬向聯軸節22與腕部固定托架5連接，并通過滾動副 與訓練平面3連接；腕部固定托架5可以實現軸向旋轉和前后俯仰，以適應運動中患者腕部 的姿態變換。大臂驅動電機15和小臂驅動電機16平行固定在機械臂安裝支架14上，大臂 驅動電機15通過齒輪17傳動，驅動機械大臂12運動，小臂驅動電機16和機械大臂12的一 端同軸布置，驅動齒形帶18運動，從而驅動機械小臂13運動。
圖5為腕部固定托架的結構示意圖，腕部固定托架5由手柄19、上托架23和下托架20 組成，上托架和下托架通過螺栓21固定在萬向聯軸節22上，手柄19套裝在螺栓21的外部。 腕部固定托架可以實現角度和位置隨動調整。上托架23與人體接觸，由塑料材料加工而成。
圖6為肘部托架的安裝示意圖，機械臂4位于訓練平面3的中心位置，在靠近機械小臂 13末端的訓練平面3的一側安裝有肘部托架6，肘部托架6通過導軌左右互換安裝。機械臂 4的布置是適合左側和右側患肢訓練設計的，在左側患肢訓練時肘部托架6需要安裝在訓練 平面左側。
權利要求
1.一種訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置，包括座椅(7)，底座(9)，訓練平面(3)，安裝在訓練平面上的機械臂(4)和腕部固定托架(5)以及控制系統，其特征在于該上肢偏癱康復機器人還包括一個用于調節訓練平面相對于地面的高度，以及訓練平面與水平面的夾角的訓練平面調節裝置。
2. 根據權利要求1所述的訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置，其特征在于所述 訓練平面調節裝置包括一個升降立柱(1)和一個電動推桿(2)，所述的升降立柱(1)的一 端固定在底座(9)上，另一端與訓練平面(3)鉸接；所述的電動推桿(2)的兩端分別與底 座(9)和訓練平面(3)鉸接。
3. 根據權利要求1或2所述的訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置，其特征在于 所述機械臂(4)由機械大臂(12)、機械小臂(13)、大臂驅動電機(15)、小臂驅動電機(16) 和機械臂安裝支架(14)組成；所述機械大臂(12)由雙并聯桿和齒形帶(18)組成，齒形 帶(18)布置在并聯桿之間構成簡支梁形式，機械大臂的一端通過機械臂安裝支架(14)固定 在訓練平面(3)上，另一端和機械小臂(13)的一端通過鉸鏈連接；所述機械小臂(13)的 另一端通過萬向聯軸節(22)與腕部固定托架(5)連接，并通過滾動副與訓練平面(3)連 接。
4. 根據權利要求3所述的訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置，其特征在于機械 臂(4)位于訓練平面(3)的中心位置，在靠近機械小臂(13)末端的訓練平面(3) —側安 裝有肘部托架(6)，肘部托架(6)通過導軌在訓練平面(3)的側面左右互換安裝。
5. 按照權利要求4所述的訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置，其特征在于所述 的肘部托架(6)手柄(19)、上托架和下托架組成，上托架和下托架通過螺栓固定在萬向聯 軸節(22)，手柄(19)套裝在螺栓(21)的外部。
6. 根據權利要求l所述的訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置，其特征在于所述 腕部固定托架(5)由手柄(19)、上托架(23)和下托架(20)組成，上托架和下托架通過 螺栓固定在萬向聯軸節(22)，手柄(19)套裝在螺栓(21)的外部。
全文摘要
一種訓練平面可調式上肢偏癱康復機器人裝置，屬于醫療康復器械技術領域。為了滿足偏癱康復訓練中對于醫療機器人提出的空間訓練的要求，本發明提出了一種訓練平面可調式康復機器人裝置，包括座椅、訓練平面、訓練平面調節裝置，安裝在訓練平面上的機械臂、腕部固定托架和肘部托架。訓練平面調節裝置可以調節訓練平面相對于地面的高度，以及訓練平面與水平面的夾角，以適應不同患者在多平面內完成多種康復訓練動作的需要。本發明結構簡單，通過作業面位姿調整，可以滿足患者在各種斜面上做大幅度的主被動訓練，并且有針對性的調節斜面可以有目的的對受損關節以及相應肌群進行專項訓練，達到更好的康復效果。
文檔編號A61H1/00GK101347380SQ200810119668
公開日2009年1月21日 申請日期2008年9月5日 優先權日2008年9月5日
發明者姚重陽, 王子羲, 群 謝, 陳里寧 申請人:清華大學