CN110179626A - 一种上肢康复训练装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种上肢康复训练装置及方法，包括支架、输出轴水平设置的伺服电机，平衡臂，抓持装置，测量系统和控制系统，所述支架用于支撑伺服电机；所述伺服电机的输出轴与旋转臂一端固定连接，所述旋转臂能够以输出轴为转动中心在竖直平面内转动；所述平衡臂的一端与旋转臂的另一端通过连接轴转动连接，所述平衡臂能够以连接轴为转动中心在竖直平面内转动，所述连接轴与输出轴垂直设置；所述抓持装置转动设置于平衡臂上端面。本发明能同时或分别在多个竖直平面内转动，通过主动运动和被动运动实现上肢的康复训练，使患者不仅在康复训练后能保持关节灵活，改善肌肉的状态，而且能够建立新的神经通路从而恢复大脑对肢体的有效控制。

Description

一种上肢康复训练装置及方法

技术领域

本发明属于康复训练技术领域，具体涉及一种上肢康复训练装置及方法。

背景技术

由于脑卒中疾病、脑外伤、脊髓损伤等疾病或外伤造成上肢运动障碍的患者通常需要接受上肢康复训练的辅助治疗。上肢康复训练装置作为一种康复医疗设备，可被用于帮助使已经遭受肌肉或神经障碍的患者进行康复训练，从而使患者的运动机能及神经反应协调机能得到更好地恢复，还具有康复费用较低、运动强度可控、康复训练的持续时间长等优点。

发明人认为现有上肢康复训练装置具有以下不足：

1)目前患者使用的上肢康复训练装置中，患者的上肢在支撑装置与升降驱动机构的带动下进行运动，被动性较强，缺乏主动性。主动参与原则现在已经被康复训练广泛接受，个体互动的努力是运动技能训练的关键。被动运动疗法可以帮助保持关节灵活，改善肌肉的状态，但对恢复大脑控制肢体从而建立新的神经通路的作用相对较差。

2)现有的上肢康复训练装置仅能够实现上肢沿单一轴线的平移或转动，运动方式少，上肢的运动范围小。

3)在被动训练过程中，不能实时监控上肢康复训练装置带动的上肢位移与上肢肌肉电信号变化之间的关系，不能在上肢不舒适的情况下及时停止运动，不能针对单个患者建立上肢运动与肌肉电信号的对应关系，以针对性的对不同患者进行康复治疗。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种上肢康复训练装置及方法。

本发明的第一目的在于，提供一种上肢康复训练装置，能同时或分别在多个竖直平面内转动，通过主动运动和被动运动实现上肢的康复训练，使患者不仅在康复训练后能保持关节灵活，改善肌肉的状态，还能够建立新的神经通路从而恢复大脑对肢体的有效控制。

本发明的第二目的在于，提供一种上肢康复训练方法，能够指导上肢康复训练中的主动运动，保证双手的平衡训练，以达到建立新的神经通路的目的，。

本发明的第三目的在于，提供另一种上肢康复训练方法，能够指导上肢康复训练中的主动运动，达到双手在主动运动中的相对位置改变，增加上肢的运动范围。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种上肢康复训练装置，包括支架、输出轴水平设置的伺服电机、平衡臂，抓持装置、测量系统及控制系统。

所述支架用于支撑伺服电机；

所述伺服电机的输出轴与旋转臂一端固定连接，所述旋转臂能够以输出轴为转动中心在竖直平面内转动；

采用伺服电机驱动旋转臂的转动，能够在旋转臂转动过程中带动两上肢处于平衡状态时的提升与放下，在伺服电机不转动时能够利用上肢的主动运动实现上肢的康复训练，伺服电机及旋转臂此时仅实现运动的导向。

所述平衡臂的一端与旋转臂的另一端通过连接轴转动连接，所述平衡臂能够以连接轴为转动中心在垂直于旋转臂的平面内转动，所述连接轴与输出轴垂直设置。

采用平衡臂结构，能够在上肢运动时实现上肢中两手臂的平行，实现两个手臂的同时康复训练，训练协同作用。

同时，平衡臂能够沿旋转臂转动，在上肢受旋转臂驱动实现提升与下落时，也能够改变两个手臂之间的位置关系，改变两手臂的平衡状态，实现上肢在更大范围内的运动。

所述抓持装置转动设置于平衡臂上端面，所述抓持装置与平衡臂之间设有力传感器，所述抓持装置用于实现使用者的双手抓持；抓持装置可360°旋转，适应上肢在运动时，手抓持位置及角度的变化。

所述测量系统包括与连接轴同轴设置的角位移传感器、贴附在使用者上肢肌肉处以采集肌电信号的肌电传感器、力传感器。

所述控制系统用于接收伺服电机的角位移信号、角位移传感器的信号、力传感器测得的上肢肌肉施力信号及肌电传感器测得的肌电信号，得出肌电信号、上肢肌肉施力与使用者上肢位移的对应关系。

采用测量系统及控制系统的配合使用，能够测得上肢运动时位移与肌肉电信号、上肢肌肉施力的关系，能够根据肌肉电信号、上肢肌肉施力情况有针对性的进行上肢运动轨迹的规划，提高上肢康复训练的效果；避免某一运动轨迹的上肢运动过度或不足。

本发明提供一种上肢康复训练方法，包括以下步骤：

根据患者的身高调节支撑架高度、平衡臂与输出轴的距离，患者双手握持抓持装置；

患者双手保持平行并保证平衡臂处于水平状态；

双手提升及下落以实现旋转臂沿输出轴的转动；

肌电传感器感应双手运动过程中上肢肌肉的电信号，控制器读取肌电传感器的信号并判断此时肌肉的运动状况，力传感器测量患者上肢肌肉施力的变化；

本发明还提供另外一种上肢康复训练方法,包括以下步骤：

根据患者的身高调节支撑架高度、平衡臂与输出轴的距离，患者双手握持抓持装置；

双手提升及下落以实现旋转臂沿输出轴的转动；在旋转臂转动的过程中；双手分别控制平衡臂沿连接轴摆动；

肌电传感器感应双手运动过程中上肢肌肉的电信号，力传感器测量患者上肢肌肉施力的变化，控制器读取肌电传感器的信号、上肢肌肉施力信号、角位移传感器的信号并并判断此时肌肉的运动状况；

建立角位移传感器信号与肌电传感器信号、上肢肌肉施力信号的对应关系以指导下一次康复训练的运动轨迹。

本发明的有益效果：

(1)本发明由于采用以上结构，可以单臂或双臂进行康复训练，健康侧手臂可起到带动患侧手臂运动的作用。

(2)本发明可在伺服电机启动或断电状态下使用，在伺服电机通电启动后，可调整为适合患者的旋转速度进行康复训练；在伺服电机断电状态下，患者可借助伺服电机的阻尼和装置的重量进行有一定负荷状态下的康复训练。

(3)本发明可调整支架、旋转臂的长度，满足不同身高、臂长患者的训练要求。

(4)本发明中平衡臂、旋转臂、抓持装置可在不同竖直平面内分别实现旋转或一定角度范围内的摆动，满足患者不同康复训练的要求。

(5)本发明能够进行主动性的手眼协调康复训练，保持关节灵活，改善肌肉的状态，而且能够建立新的神经通路从而恢复大脑对肢体的有效控制。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明实施例中整体结构示意图。

图2是本发明实施例中局部结构示意图。

图3是本发明实施例中第一使用状态的示意图；

图4时本发明实施例中第二使用状态的示意图。

其中，1、底座；2、杆套；3、支架安装孔；4、定位螺钉；5、调节杆；6、调节杆孔；7、电机座；8、伺服电机；9、第一把手；10、右手；11、左手；12、第二把手；13、平衡臂；14、旋转臂；15、紧固螺栓；16、角位移传感器；17、第一力传感器；18、第二力传感器；19、连接轴；20、轴承；21、联轴器；22、调节孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了解决背景技术中提及的技术问题，本发明提供一种上肢康复训练装置，包括支架，输出轴水平设置的伺服电机、平衡臂、抓持装置、测量系统和控制系统，所述支架用于支撑伺服电机。

所述伺服电机的输出轴与旋转臂一端固定连接，所述旋转臂能够以输出轴为转动中心在竖直平面内转动；所述平衡臂的一端与旋转臂的另一端通过连接轴转动连接，所述平衡臂能够以连接轴为转动中心在与旋转臂垂直的平面内转动，所述连接轴与输出轴垂直设置；所述抓持装置转动设置于平衡臂上端面，所述抓持装置用于实现使用者的双手抓持；所述测量系统包括与连接轴同轴设置的角位移传感器、贴附在使用者上肢肌肉处以采集肌电信号的肌电传感器；所述控制系统用于接收伺服电机的角位移信号、角位移传感器的信号以及肌电传感器测得的肌电信号、力传感器测得的上肢肌肉施力信号，得出肌电信号、抓持力信号与使用者上肢位移的对应关系。

实施例1

如图1-4所示，一种上肢康复训练装置，包括支架，输出轴水平设置的伺服电机8、平衡臂13、抓持装置、测量系统和控制系统。下面分别结合附图对上述各部件进行详细描述：

支架:所述支架用于支撑伺服电机8。所述支架能够在竖直方向伸缩并固定在设定高度，所述支架的顶端固定安装有所述伺服电机8。

具体的，在一些实施方式中，所述支架包括与底座1固定连接的杆套2，所述杆套2中设有调节杆5，所述调节杆5的顶端固定连接有电机座7，所述电机座7上表面安装有所述伺服电机8。

杆套2中沿竖直方向设有一列支架安装孔3，所述调节杆5中沿竖直方向设有一列调节杆孔6，支架安装孔3中设有定位螺钉4，当调节杆5沿杆套2伸出设定长度后，利用定位螺钉4将对准的任意一组调节杆孔6、支架安装孔3固定。即可以达到锁紧杆套2与调节杆5的目的。此处的定位螺钉4采用普通的螺钉即可；调节杆孔6与支架安装孔3为螺纹孔。

旋转臂14与平衡臂13：所述伺服电机8的输出轴与旋转臂14一端固定连接，所述旋转臂14能够以输出轴为转动中心在竖直平面内转动；

所述旋转臂14靠近输出轴的一端设有多个调节孔22，所述输出轴能够安装于不同调节孔22中以调节平衡臂13与输出轴之间的距离。

具体的，在一些实施方式中，调节孔22中设有内螺纹，电机的输出轴端部设有螺纹孔，调节孔22中设有紧固螺栓15，紧固螺栓15依次穿过调节孔22和螺纹孔后将电机输出轴与旋转臂14固定连接。

所述平衡臂13的一端与旋转臂14的另一端通过连接轴19转动连接，所述平衡臂13能够以连接轴19为转动中心在垂直旋转臂14的平面内转动，所述连接轴19与输出轴垂直设置；

所述旋转臂14远离输出轴的一端通过轴承20安装有连接轴19，所述连接轴19的一端与平衡臂13固定连接，另一端通过联轴器21与角位移传感器固定连接。

所述伺服电机8的输出轴与旋转臂14轴线垂直，旋转臂14的轴线与平衡臂13的轴线垂直。

抓持装置：所述抓持装置转动设置于平衡臂13上端面，所述抓持装置用于实现使用者的双手抓持；

进一步,所述抓持装置包括安装于平衡臂13两端的第一把手9和第二把手12，所述第一把手9和第二把手12之间的距离能够调节。

具体的，在一些实施方式中，为调节第一把手9与第二把手12之间的距离，可以在平衡臂13上设置一列安装孔，通过将第一把手9和第二把手12安装于不同安装孔的方式，实现第一把手9与第二把手12之间的距离可调。

进一步,所述第一把手9和第二把手12与平衡臂13之间分别设有力传感器，所述力传感器与控制器信号连接。第一把手9与平衡臂之间设置第一力传感器，第二把手12与平衡臂之间设置第二力传感器。力传感器与平衡臂之间的连接部位可360°自由旋转。

测量系统：所述测量系统包括与连接轴19同轴设置的角位移传感器、贴附在使用者上肢肌肉处以采集肌电信号的肌电传感器、安装在平衡臂上的力传感器；所述肌电传感器通过数据线与控制器信号连接。所述控制器与显示装置信号连接以输出上肢位移与肌电信号的对应关系。力传感器与控制器信号连接。所述控制器与显示装置信号连接以输出上肢位移与上肢肌肉施力信号的对应关系。

具体的，在一些实施方式中，角位移传感器可以采用编码器。

控制器可以采用微处理器，如单片机结构。

控制系统：所述控制系统用于接收伺服电机8的角位移信号、角位移传感器的信号、力传感器测得的上肢肌肉施力信号以及肌电传感器测得的肌电信号，得出肌电信号、上肢肌肉施力信号与使用者上肢位移的对应关系。

实施例2

为了解决背景技术中，现有康复训练方法一般为被动训练方式，不能进行主动训练以达到建立新的神经通路从而恢复大脑对肢体的有效控制的目的，本发明提供一种上肢康复训练方法，侧重于在保证上肢双臂平衡协作情况下的训练方式，包括以下步骤：

根据患者的身高调节支撑架高度、平衡臂13与输出轴的距离，患者双手握持抓持装置；

患者双手保持平行并保证平衡臂13处于水平状态；

双手发力提升及下落以实现旋转臂14沿输出轴的转动；第一力传感器17和第二力传感器18将受力情况传递给控制器；

肌电传感器感应双手运动过程中上肢肌肉的电信号，控制器读取肌电传感器、第一力传感器17及第二力传感器18的信号并判断此时肌肉的受力状况。

在一些实施方式中，左手11抓握第二把手，右手10抓握第一把手，形成第一使用状态，在另一些实施方式中，左手11抓握第一把手，右手10抓握第二把手，形成第二使用状态。

实施例3

为了解决背景技术中，现有康复训练方法一般为被动训练方式，不能进行主动训练以达到建立新的神经通路从而恢复大脑对肢体的有效控制的目的，本发明提供一种上肢康复训练方法，侧重于在保证上肢同时沿设定方向运动的同时，上肢双臂间进行相对运动，增加上肢双臂的运动范围，包括以下步骤：

根据患者的身高调节支撑架高度、平衡臂13与输出轴的距离，患者双手握持抓持装置；

双手提升及下落以实现旋转臂14沿输出轴的转动；在旋转臂14转动的过程中；双手分别控制平衡臂13沿连接轴19摆动；第一力传感器17和第二力传感器18将上肢肌肉施力情况传递给控制器；

肌电传感器感应双手运动过程中上肢肌肉的电信号，控制器读取肌电传感器、第一力传感器17及第二力传感器18测得上肢肌肉施力信号并判断此时肌肉的运动状况。

建立角位移传感器信号、第一力传感器17、第二力传感器18的信号与肌电传感器信号的对应关系以指导下一次康复训练的运动轨迹。

实施例4

为了解决背景技术中，现有康复训练方法一般为被动训练方式，不能进行主动训练以达到建立新的神经通路从而恢复大脑对肢体的有效控制的目的，本发明提供一种上肢康复训练方法，侧重于利用伺服电机8的缓慢运动提供阻力，使得患者能够在伺服电机8模拟负载的情况下，进行上肢的康复训练。

根据患者的身高调节支撑架高度、平衡臂13与输出轴的距离，患者双手握持抓持装置；

启动伺服电机8，以使得伺服电机8带动旋转臂14缓慢转动，伺服电机8带动旋转臂14转动的方向与上肢带动旋转臂14转动的方向一致；上肢在运动过程中施加沿运动方向的压力以使得旋转臂14最终的转速大于伺服电机8的原本的转速。

在旋转臂14转动的过程中；上肢双手分别发力以控制旋转臂转动，但是伺服电机驱动旋转臂旋转的方向与上肢双手驱动旋转臂旋转的方向一致，但是因为伺服电机驱动旋转臂转动的速度小于单独采用上肢驱动旋转臂的速度，相当于于在双手驱动旋转臂同向转动的过程中提供了阻力。

第一力传感器17和第二力传感器18将受力情况传递给控制器；

肌电传感器感应双手运动过程中上肢肌肉的电信号，控制器读取肌电传感器的信号、角位移传感器的信号及力传感器测得的上肢肌肉施力情况并并判断此时肌肉的运动状况；

建立角位移传感器信号、第一力传感器17、第二力传感器18的信号与肌电传感器信号的对应关系以指导下一次康复训练的运动轨迹。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种上肢康复训练装置，其特征在于，包括，

支架，所述支架用于支撑伺服电机；

输出轴水平设置的伺服电机，所述伺服电机的输出轴与旋转臂一端固定连接，所述旋转臂能够以输出轴为转动中心在竖直平面内转动；

平衡臂，所述平衡臂的一端与旋转臂的另一端通过连接轴转动连接，所述平衡臂能够以连接轴为转动中心在竖直平面内转动，所述连接轴与输出轴垂直设置；

抓持装置，所述抓持装置转动设置于平衡臂上端面，所述抓持装置与平衡臂之间设有力传感器，所述抓持装置用于实现使用者的双手抓持；

测量系统，所述测量系统包括与连接轴同轴设置的角位移传感器、贴附在使用者上肢肌肉处以采集肌电信号的肌电传感器、力传感器；

控制系统，所述控制系统用于接收伺服电机的角位移信号、角位移传感器的信号、力传感器测得的上肢肌肉施力信号以及肌电传感器测得的肌电信号，得出肌电信号及上肢肌肉施力信号与使用者上肢位移的对应关系。

2.根据权利要求1所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述旋转臂远离输出轴的一端通过轴承安装有连接轴，所述连接轴的一端与平衡臂固定连接，另一端与角位移传感器固定连接。

3.根据权利要求1所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述支架能够在竖直方向伸缩并固定在设定高度，所述支架的顶端固定安装有所述伺服电机。

4.根据权利要求1所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述旋转臂靠近输出轴的一端设有多个调节孔，所述输出轴能够安装于不同调节孔中以调节平衡臂与输出轴之间的距离。

5.根据权利要求1所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述抓持装置包括安装于平衡臂两端的第一把手和第二把手，所述第一把手和第二把手之间的距离能够调节。

6.根据权利要求5所述的上肢康复训练装置，其特征在于,所述第一把手和第二把手与平衡臂之前分别设有力传感器，所述力传感器与控制器信号连接。

7.根据权利要求1所述的上肢康复训练装置，其特征在于,所述伺服电机的输出轴与旋转臂轴线垂直，旋转臂的轴线与平衡臂的轴线垂直。

8.根据权利要求3所述的上肢康复训练装置，其特征在于,所述肌电传感器通过数据线与控制器信号连接；

所述控制器与显示装置信号连接以输出上肢位移与肌电信号的对应关系。

9.一种上肢康复训练方法，利用了权利要求1-8中任意一项所述的上肢康复训练装置，其特征在于,包括以下步骤：

根据患者的身高调节支撑架高度、平衡臂与输出轴的距离，患者双手握持抓持装置；

患者双手保持平行并保证平衡臂处于水平状态；

双手提升及下落以实现旋转臂沿输出轴的转动；

肌电传感器感应双手运动过程中上肢肌肉的电信号，控制器读取肌电传感器的信号并判断此时肌肉的运动状况，力传感器测得的上肢肌肉施力信号。

10.一种上肢康复训练方法，利用了权利要求1-8中任意一项所述的上肢康复训练装置，其特征在于,包括以下步骤：

根据患者的身高调节支撑架高度、平衡臂与输出轴的距离，患者双手握持抓持装置；

双手提升及下落以实现旋转臂沿输出轴的转动；在旋转臂转动的过程中；双手分别控制平衡臂沿连接轴摆动；

肌电传感器感应双手运动过程中上肢肌肉的电信号，力传感器测量患者上肢肌肉施力的变化，控制器读取肌电传感器的信号、上肢肌肉施力信号、角位移传感器的信号并并判断此时肌肉的运动状况；

建立角位移传感器信号、肌电传感器信号与上肢肌肉施力信号的对应关系以指导下一次康复训练的运动轨迹。