專利名稱：肢體康復訓練裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種應用于因中風、脊髓損傷和各種事故引起的肢體偏癱患者的肢體康復訓練裝置。
背景技術：
康復醫(yī)學工程是隨著現(xiàn)代康復醫(yī)學的發(fā)展而誕生的一個新興研究領域，而康復醫(yī)療機器人技術則是康復醫(yī)學工程中最為重要的技術?？祻歪t(yī)療機器人技術不僅是當前機器人領域研究的前沿和熱點，也是康復醫(yī)學和機器人學相結合的高技術。
現(xiàn)代神經(jīng)康復醫(yī)學最重要的研究成果之一就是發(fā)現(xiàn)了中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有高度的可塑性，康復醫(yī)學臨床研究表明，對中風患者患側肢體進行康復訓練是十分重要和關鍵的醫(yī)療手段。對于因中風、脊髓損傷和各種事故引起的肢體功能殘障的患者來說，及時進行康復訓練，尤其是在病損后的前三個月內(nèi)進行正確的康復訓練，大體上就可以有效恢復神經(jīng)肌肉的功能，大大減輕殘疾的程度，提高其生活質量。目前我國肢體殘疾者中的大多數(shù)屬于后天殘疾，而其中相當一部分人的殘疾則是因為未能得到及時、正確的康復訓練而造成的。因此，肢體康復訓練機器人的研究將為這些患者帶來福音，具有極其重要的社會意義。
現(xiàn)有的康復訓練裝置主要是各種類型的CPM(Continuous Passive Motion，連續(xù)被動運動)機，CPM機主要以被動模式工作，即機械臂帶動人手關節(jié)進行往復的運動。少量的CPM機可以以主動模式工作，即恢復到一定程度的人手帶動機械臂進行往復的運動。最新的研究表明對因中風、脊髓損傷和各種事故引起的肢體運動功能殘障患者的康復訓練通常需要有四種訓練模式，即被動訓練模式、助力訓練模式、主動訓練模式、阻尼訓練模式。而目前的康復訓練機器人通常采用的是電機、減速器與機械臂組合的關節(jié)結構，通過電機在正向或反向上輸出大小方向不同的力矩，實現(xiàn)四種康復訓練模式。但是，由于電機是一種有源器件，利用電機直接提供阻尼力，對于康復訓練可能會存在一定的安全隱患，因此，需要進行復雜的安全性設計和控制。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型針對因中風、脊髓損傷和各種事故引起的肢體偏癱患者的肢體康復訓練的需要，設計了一種結構簡單、控制準確并且運行安全可靠的肢體康復訓練裝置。
本實用新型提供了一種肢體康復訓練裝置，包括電機、機架、機械臂和減速裝置，電機固定在機架上，減速裝置的輸入端與電機的轉動軸相連，其特征在于，在減速裝置與機械臂之間設有一個離合-阻尼器，所述離合-阻尼器包括主動軸、從動軸、外殼，離合-阻尼器的主動軸與減速裝置的輸出端相連，離合-阻尼器的從動軸與機械臂相連，在離合-阻尼器的外殼內(nèi)設有分別與主動軸和從動軸固定連接的主動盤和從動盤，主動盤和從動盤相對安置并且兩者之間存在間隙，主動盤和從動盤的相對表面上分別設有極性相反的電極板，在主動盤相鄰側的外殼內(nèi)壁上設有與其上的電極板極性一致的壁內(nèi)電極板，在從動盤相鄰側的外殼內(nèi)壁上設有與其上的電極板極性一致的壁內(nèi)電極板，外殼內(nèi)腔填滿了電流變液。另外，減速裝置由蝸桿和蝸輪嚙合組成，蝸桿與電機的轉動軸相連，蝸輪與離合-阻尼器的主動軸相連。
本實用新型的肢體康復訓練裝置具有以下優(yōu)點(1)采用基于電流變液的離合-阻尼器，通過電壓控制實現(xiàn)阻尼器和離合器功能的切換，從而使本實用新型具有結構簡單的優(yōu)點。
(2)采用蝸輪蝸桿減速裝置，實現(xiàn)了大的減速比并且實現(xiàn)了自鎖特性，從而提高了安全性。
(3)對基于電流變液的離合-阻尼器施加高于給定閾值的電壓，實現(xiàn)離合器功能，將電機輸出力矩平穩(wěn)地傳遞給機械臂，從而實現(xiàn)被動訓練模式和助力訓練模式，特別適用于處于恢復初期的患者。
(4)讓電機停止工作，對基于電流變液的離合-阻尼器施加低于給定閾值的電壓，利用蝸輪蝸桿的自鎖特性，實現(xiàn)阻尼器功能，控制施加電壓，實現(xiàn)阻尼的準確控制，從而實現(xiàn)阻尼訓練模式，在此訓練模式下，患者的上下肢康復運動受到本肢體康復訓練裝置的保護，安全性得到極大提高。
(5)讓電機停止工作，利用蝸輪蝸桿的自鎖特性，對基于電流變液的離合-阻尼器施加零電壓，從而實現(xiàn)主動訓練模式。
綜上，本實用新型的肢體康復訓練裝置具有結構簡單、控制準確、多種訓練模式易于實現(xiàn)并且切換方便、運行安全可靠的優(yōu)點。


圖1是本實用新型的肢體康復訓練裝置的立體示意圖。
圖2是根據(jù)本實用新型的基于電流變液的離合-阻尼器的結構示意圖。
圖3是根據(jù)本實用新型的上肢康復訓練裝置的立體示意圖。
圖4是根據(jù)本實用新型的下肢康復訓練裝置的立體示意圖。
具體實施方式
下文結合附圖以及具體實施例對本實用新型的肢體康復訓練裝置進行詳細描述。
肢體康復訓練裝置包括電機1、機架2、由蝸桿3和蝸輪4組合構成的減速裝置、基于電流變液的離合-阻尼器5以及機械臂6。其中，電機1固定在機架2上，電機1的轉動軸與蝸桿3相連，蝸輪4的轉動軸與離合-阻尼器5的主動軸51聯(lián)結，離合-阻尼器5的從動軸56與機械臂6聯(lián)結。電機1的轉動帶動蝸桿3轉動，隨著蝸桿3的轉動，其上的蝸輪4會產(chǎn)生與蝸桿3轉動方向相垂直的轉動，蝸桿每轉動一圈，蝸輪轉動一個齒的角度。
在離合-阻尼器5的外殼521內(nèi)設有分別與主動軸51和從動軸56固定連接的主動盤54和從動盤58，主動盤54與從動盤58相對安置并且兩者之間存在間隙。在主動盤54與從動盤58的相對表面上分別設有陽極板55和陰極板59。在主動盤54相應側的外殼內(nèi)壁上設有壁內(nèi)陽極板53，在從動盤58相應側的外殼內(nèi)壁上設有壁內(nèi)陰極板57。離合-阻尼器5的內(nèi)部空腔522填滿了電流變液。離合-阻尼器5的壁內(nèi)陽極板53和主動盤54上的陽極板55共同連接在電源的正端，離合-阻尼器5的壁內(nèi)陰極板57和從動盤上的陰極板59共同連接在電源的負端。
本實用新型的肢體康復訓練裝置的工作和控制原理如下對于基于電流變液的離合-阻尼器5而言，由于壁內(nèi)陽極板53和主動盤54上的陽極板55共同連接在電源的正端，壁內(nèi)陰極板57和從動盤58上的陰極板59共同連接在電源的負端，因此當電源電勢不為0時，外加電場E主要施加在主動盤54和從動盤58之間，而主動盤和從動盤外部的空腔中電場強度幾乎為0。因此只有主動盤54和從動盤58之間的電流變液才受到外在電壓E的影響，從而發(fā)生電流變作用。隨著外在電壓E的逐漸增大，主動盤54和從動盤58之間的電流變液變得越來越粘稠，主動盤54和從動盤58之間的相對運動阻尼也逐漸增大；當外在電壓E大于某個閾值Eh時，主動盤54和從動盤58之間的電流變液完全固化，主動盤54和從動盤58成為固聯(lián)。因此，當外在電壓處于0電壓或Eh以上時，基于電流變液的離合-阻尼器5以離合器方式工作；當外在電壓處于0電壓和Eh之間時，基于電流變液的離合-阻尼器5以阻尼器方式工作。
設主動盤54和從動盤58的外徑都為r，主動盤54和從動盤58之間的間距為h，則主動盤54和從動盤58之間相對運動的剪切應力可以根據(jù)以下公式計算τ＝τc+η·v(1)式中，τc為屈服應力，η為電流變液的塑性粘度，v為剪切速率。
設主動盤54和從動盤58的轉速差為Δn，則剪切速率為v=d(rωx)dx=rhΔn---(2)]]>
那么，由于電流變效應而產(chǎn)生的力矩T為T=∫0r2πτx2dx=2πτcr33+πηΔnr42h---(3)]]>根據(jù)電流變效應的原理，屈服應力τc可表達為τc=KcE2h2---(4)]]>Kc為屈服應力電場系數(shù)。則從動盤58的輸出力矩T=2πKcE2r33h2+πηΔnr2h4---(5)]]>由于康復訓練機器人的運動速度很低，所以上式中的第二項可以忽略不計，即T=2πKcE2r33h2---(6)]]>從(6)式中可知，輸出力矩T與外加電壓E的2次方成正比。因此我們通過控制外加電壓E的大小就可以迅速準確地控制阻尼的變化。
在本實用新型的第一個實施例中，參照圖3，根據(jù)本實用新型的上肢康復訓練裝置的四種工作模式可以通過以下控制實現(xiàn)(1)被動訓練模式對基于電流變液的離合-阻尼器5施加高于給定閾值Eh的電壓E，則離合-阻尼器5工作在離合器狀態(tài)，主動軸51和從動軸56相固聯(lián)，此時，離合器將電機輸出力矩平穩(wěn)地傳遞給機械臂6，機械臂6帶動患者上肢進行被動訓練。
(2)助力訓練模式在被動訓練模式中，通過檢測患者的運動信息(如四肢神經(jīng)肌肉的肌電信號)，控制電機1的輸出力矩的大小和方向，離合器將電機輸出力矩平穩(wěn)地傳遞給機械臂6，機械臂6則施加和患者企圖運動方向一致的力，幫助患者上肢進行康復訓練。
(3)主動訓練模式讓電機1停止工作，并對基于電流變液的離合-阻尼器5施加0電壓，則離合-阻尼器5工作在離合器狀態(tài)，主動軸51和從動軸56不相聯(lián)，從動軸56可自由轉動。由于蝸輪蝸桿的自鎖特性，主動軸51無法自由轉動。此時，患者上肢可帶動機械臂6進行無阻尼的自由往復的運動。
(4)阻尼訓練模式讓電機1停止工作，對基于電流變液的離合-阻尼器5施加0-Eh之間的電壓，離合-阻尼器5工作在阻尼器狀態(tài)。由于蝸輪蝸桿的自鎖特性，主動軸51無法自由運動，而從動軸56進行有阻尼的自由轉動。此時，患者上肢可帶動機械臂6進行有阻尼的往復運動。根據(jù)(6)式，通過控制外加電壓的大小，就可以準確控制機械臂6的阻尼。
在本實用新型的第二個實施例中，參照圖4，根據(jù)本實用新型的下肢康復訓練裝置的四種工作模式可以通過以下控制實現(xiàn)(1)被動訓練模式對基于電流變液的離合-阻尼器5施加高于給定閾值Eh的電壓E，則離合-阻尼器5工作在離合器狀態(tài)，主動軸51和從動軸56相固聯(lián)，此時，離合器將電機輸出力矩平穩(wěn)地傳遞給機械臂6，機械臂6帶動患者下肢進行被動訓練。
(2)助力訓練模式在被動訓練模式中，通過檢測患者的運動信息(如四肢神經(jīng)肌肉的肌電信號)，控制電機1的輸出力矩的大小和方向，離合器將電機輸出力矩平穩(wěn)地傳遞給機械臂6，機械臂6則施加和患者企圖運動方向一致的力，幫助患者下肢進行康復訓練。
(3)主動訓練模式讓電機1停止工作，并對基于電流變液的離合-阻尼器5施加0電壓，則離合-阻尼器5工作在離合器狀態(tài)，主動軸51和從動軸56不相聯(lián)，從動軸56可自由轉動。由于蝸輪蝸桿的自鎖特性，主動軸51無法自由轉動。此時，患者下肢可帶動機械臂6進行無阻尼的自由往復的運動。
(4)阻尼訓練模式讓電機1停止工作，對基于電流變液的離合-阻尼器5施加0-Eh之間的電壓，離合-阻尼器5工作在阻尼器狀態(tài)。由于蝸輪蝸桿的自鎖特性，主動軸51無法自由運動，而從動軸56進行有阻尼的自由轉動。此時，患者下肢可帶動機械臂6進行有阻尼的往復運動。根據(jù)(6)式，通過控制外加電壓的大小，就可以準確控制機械臂6的阻尼。
閱讀以上內(nèi)容之后，不難發(fā)現(xiàn)本文中提到的主動盤和從動盤上的陽極板與陰極板的位置可以互換，同時相對應的外殼內(nèi)壁上的壁內(nèi)陽極板和壁內(nèi)陰極板的位置也要進行互換，從而起到與上文描述相同的作用。
權利要求1.一種肢體康復訓練裝置，包括電機(1)、機架(2)、機械臂(6)和減速裝置，電機(1)設在機架(2)上，減速裝置的輸入端與電機(1)的轉動軸相連，其特征在于，在減速裝置與機械臂(6)之間設有一個離合-阻尼器(5)，所述離合-阻尼器包括主動軸(51)、從動軸(56)、外殼(521)，離合-阻尼器(5)的主動軸(51)與減速裝置的輸出端相連，離合-阻尼器(5)的從動軸(56)與機械臂(6)相連，在離合-阻尼器(5)的外殼(521)內(nèi)設有分別與主動軸(51)和從動軸(56)固定連接的主動盤(54)和從動盤(58)，主動盤(54)和從動盤(58)相對安置并且兩者之間存在間隙，主動盤(54)和從動盤(58)的相對表面上分別設有極性相反的電極板(55、59)，在主動盤(54)相鄰側的外殼內(nèi)壁上設有與其上的電極板極性一致的壁內(nèi)電極板(53)，在從動盤(58)相鄰側的外殼內(nèi)壁上設有與其上的電極板極性一致的壁內(nèi)電極板(57)，外殼內(nèi)腔(522)填滿了電流變液。
2.根據(jù)權利要求1所述的肢體康復訓練裝置，其特征在于，所述減速裝置由相互嚙合的蝸桿(3)和蝸輪(4)組成，其中蝸桿(3)與電機(1)的轉動軸相連，蝸輪(4)與離合-阻尼器(5)的主動軸(51)相連。
專利摘要本實用新型涉及一種肢體康復訓練裝置，包括電機、機架、機械臂和減速裝置，電機固定在機架上，減速裝置的輸入端與電機的轉動軸相連，在減速裝置與機械臂之間設有一個離合－阻尼器，離合－阻尼器的主動軸與減速裝置的輸出端相連，從動軸與機械臂相連，在離合－阻尼器的外殼內(nèi)設有分別與主動軸和從動軸固定連接的主動盤和從動盤，主動盤和從動盤相對安置，主動盤和從動盤的相對表面上分別設有極性相反的電極板，在主動盤和從動盤相鄰側的外殼內(nèi)壁上分別設有與其上的電極板極性一致的壁內(nèi)電極板，外殼內(nèi)腔填滿了電流變液。本肢體康復訓練裝置具有結構簡單、控制準確、多種訓練模式易于實現(xiàn)并且切換方便、運行安全可靠的優(yōu)點。
文檔編號A61H1/02GK2928082SQ200620074779
公開日2007年8月1日 申請日期2006年7月10日 優(yōu)先權日2006年7月10日
發(fā)明者宋愛國, 陳旭, 吳涓, 崔建偉, 王愛民, 李會軍 申請人:東南大學