专利名称：关节联动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及医疗仪器，尤其涉及用于关节和肌肉康复训练的关节联动装置。
背景技术：
大量人体外伤，如划伤、头伤、或者脊髓损伤，甚至是由于年老，都可能引起人体多种肌肉群的运动能力减弱，而且人体常常会失去肢体全角度的运动功能。受这种影响的患者一般采用多种治疗形式来恢复全角度的运动功能。现在，人们经常采用治疗仪器来重建各肢体的运动。然而，患者一般有至少一个肌肉群受损伤，或在一个肢体上可能有多个关节因受损伤而无法正常运动。在这种情况下，当采用治疗仪器时，需要采用多个附加模块来训练一个肢体上不同的关节。例如，可能需要一个用于转动肘关节的模块，以训练棘下肌和小圆肌。可能需要另一个用于转动腕关节的模块，以训练棘上肌。使用多个模块需要“关上”一个模块或将一个模块从仪器上移走，以替换其他的模块。“关上”需要花费大量时间，如果受伤者正在单独训练中，这几乎无法完成。本发明的目的在于使得训练单个肢体上的多关节可以只用一个训练模块来完成， 以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明提供了一种用于训练单肢多关节的关节联动装置。本发明还提供了一种采用本发明的一个模块来训练单肢多关节的方法。本发明进一步提供了一种采用一个模块训练单肢的至少一个关节的方法，该模块包括近端平台和末端平台，且近端平台和末端平台通过可旋转的轴连接，以使近端平台和末端平台在交替模式下都可以旋转。本发明所提供的仪器和方法可将受伤者和训练者从在训练肢体时不得不使用多个训练模块中解放出来。本发明仪器和方法的所有特征、方面、和优点，可通过以下描述、附加权利要求和附图更加清楚的理解。
图1是本发明实施例的关节联动装置；图2是本发明实施例的关节联动装置的内部组成；图3是本发明实施例的下肢关节联动装置；图4是本发明实施例的下肢关节联动装置的内部组成；图5是本发明实施例的连接至下肢关节联动装置的脚踏装置(顶部)；图6是本发明实施例的脚踏装置的底部；图7是本发明实施例的上肢关节联动装置的内部组成顶视图8是本发明实施例的使上肢关节可转动的方法，其中转动发生在末端；图9是本发明实施例的训练使用者近端关节的方法，其中转动发生在近端；图10是本发明实施例的切换机构在第一位置和第二位置之间切换方法；图11是本发明实施例的切换机构和平台；图12是使用者与本发明的关节联动装置相互配合示意图。
具体实施例方式以下所描述的实施例只是示范性的，而不应限制本发明，及其应用和使用。本文的通篇描述中，术语“使用者”是指需要神经肌肉恢复的病人。术语“电动操作”是指系统采用微型处理器、电阻器、电容器、感应器、传感器等通过电子执行器激活机械系统从机械输入或输出来提取信息。术语“可旋转定位”是指部件连接至另一部件时，可以相对在X，y和/ 或ζ平面上移动。现在参考图1-12，虽然被分别列出，但是均反映了本发明。本发明涉及采用一个关节联动装置来旋转单肢多关节的装置和方法。通过该装置，使用者在锻炼单肢多关节时不需要使用一个以上的装置。本发明改进了以前需要多个装置的方法，而采用一个新的关节联动装置转移旋转轴从近端至远端或从远端至近端。该关节联动装置适和安装于训练或锻炼设备上。在具体实施例中，该关节联动装置安装在机器人系统上。图1示出了本发明关节联动装置100的一个具体实施例。关节联动装置100包括肘靠103，臂袖105，手扣107，切换机构109，和延伸轴111。如图1所示，关节联动装置100 被设计的适合于安装或连接在表面101，例如鹦鹉螺机，机器人系统，等等。肘靠103适合于放置使用者的肘部。肘靠103可以采用柔软的材料制成，以使肘部放置更加舒适。肘靠103的直径为可以能放置不同尺寸的肘部。臂袖105适合用于在适当的位置抓住前臂(和四肢，一般来说)。同时，关节联动装置100示出的臂袖105为手镯形，也可采用适合本发明的其他不同形状的臂袖，如条形、 方形，等等。臂袖105具有可张开的结构，像活动关节，以适用于不同尺寸的前臂。在以下描述中，臂袖105可以设置于关节联动装置100的不同地方，以使得使用者感觉最舒适为宜。手扣107用于使肢体保持在特定的位置，也可以辅助运动腕关节。使用时，手扣 107采用两个平板来容纳手掌，两个平板可以夹紧以将手掌牢牢握住。手扣107的两个平板可以手动操作，也可电动操作。手动操作时，两个平板被移到一起，并采用螺杆固定。在电动操作时，两个平板在电信号控制下合拢，可采用传感器来检测当手掌已被握紧，需要停止移动平板的状态。手扣107需采用适合皮肤接触的材料包裹，例如棉、聚酯纤维、丝、衬料等等。切换机构109用于在训练过程中在关节之间进行切换。在以下描述中，切换机构 109启动凸轮以插入特定的棘轮中。切换机构109可以手动操作或电动操作。手动操作时， 切换机构209优选设置有球形把手或手柄以便于操作。在电动操作时，切换机构109可通过有线或无线连接至控制器以接收电信号。切换机构109更适宜于在一个关节，以具有一个平移自由度。关节联动装置100全部的移动(旋转)范围靠延伸轴111和设置于表面101的挡块112来限制。挡块112可以设置于圆周表面上使移动角度在10°到270°范围内。挡块 112可采用防刮材料制成，如橡胶或其他聚合物，或金属。图2示出了本发明关节联动装置200实施例的内部组成。其内部包括但不限于 上部平台201，末端平台205，主轴213和侧轴209。上部平台201提供一个力矩传递器，可以将力矩从电机传送至末端平台205。上部平台201优选设置有延伸部202以连接至侧轴209，和一个底部以连接至装置底盘212。正如将在后面讨论的，当侧轴209连接至延伸部202时，可以进行旋转。上部平台201还给使用者的肘部提供基础支撑力。上部平台201设置在中间平台208上面。如前面所描述的，侧轴209是上部平台201与末端平台205之间的一种连接方式。 侧轴209可以采用金属制成，例如不锈钢，或聚合物，例如硬塑料。侧轴209具有与内部螺纹孔相连接的外部螺纹孔，该内部螺纹孔分别设置于上部平台201和末端平台205的延伸部上。在优选实施例中，侧轴209的任一端上设置有螺纹槽或牙形端，以固定附在上部平台 201/末端平台205上的螺母210。在本实施例中，关节联动装置200的运转，也就是力矩从上部平台201传送到末端平台205，可通过从任一个螺母210上拧紧或拧松侧轴209来增强或减弱。末端平台205适合给使用者的肢体末端提供支撑力。末端平台205优选包括用于连接至侧轴209的延伸部206，和用于连接至装置底盘212的底座(未图示)。末端平台 205具有设置手扣207的部件，如适配孔(未图示)。上部平台201和末端平台205主要通过可旋转定位的主轴213连接。主轴213还可给关节联动装置200提供支撑，起到支撑使用者肢体中部的作用，如前臂。主轴213进一步包括定位部件204，如孔，以调整臂袖203。正如将在后面讨论的，主轴213具有使其在关节联动装置200运转过程中可旋转的组成部件。如前面所描述的，关节联动装置200可以手动操作或电动操作。手动操作时，调节侧轴209，或调节臂袖203的位置，可以通过使用者或操作员直接操作关节联动装置200。电动操作时，可通过有线或无线连接至关节联动装置200的控制器来调节。在本实施例中，关节联动装置可以包括电子元件，包括但不限于电阻、电容和感应器，具体可参照现有技术。图3和图4示出了本发明的下肢关节联动装置的外部和内部组成。图3示出了本发明的下肢关节联动装置300的外部组成。下肢关节联动装置300 包括主杆301，小腿袖303，脚踏305，膝盖拉条308，袖口调节部件307，切换机构309和延伸轴 311。设置在下肢关节联动装置中的主杆301，可以采用轻金属或聚合物/塑料材料。优选地，主杆301采用塑料材料。小腿袖303可以设计为具有可扣紧小腿的手镯形。在其它实施例中，小腿袖303 可以是任何抓紧小腿适当位置的装置，如维克牢尼龙搭扣，锁链等。小腿袖303的位置可以通过袖口调节部件307进行调节，如小腿袖303可插入的各种各样的孔。袖口调节部件307 可延长至下肢关节联动装置300整体的长度。脚踏305用于放置使用者的脚。脚踏305还可用于锻炼使用者的踝关节。脚踏 305可调节为适合不同尺寸的脚。切换机构309用于在训练使用者的膝关节、踝关节或髋关节之间进行切换。切换
6机构309使棘轮插入合适的棘齿中。正如前面优选的装置中一样，切换机构309可以手动操作或电动操作。操作包括切换机构309作用于一个关节。膝盖拉条308用于给使用者膝盖外部提供支撑，以保证在训练时，使用者的肢体在竖直方向运动，而不会在水平方向运动。下肢关节联动装置300的运动范围通过延伸轴311来限制。延伸轴311通过与设置在表面上的两个凸块来限制其活动。两个凸块设置的角度为10°至270°。图4示出了本发明的下肢关节联动装置400 —个具体实施例的内部组成。下肢关节联动装置400的组成包括上部平台413、中间平台411和末端平台421， 同时上部平台413和末端平台421通过侧轴403和主轴401连接。上部平台413用于放置电机设备的电机轴，所述设备用来辅助训练。上部平台413 包括用于与侧轴403相接触的延伸部，和容纳所述电机轴的孔415。侧轴403从上部平台413延伸至末端平台421。侧轴403可以采用金属制成，如不锈钢，或者聚合物，如硬塑料。侧轴403可设置有用于连接设置于上部平台413和末端平台 421上的内螺纹端如螺母417的外螺纹端。末端平台421设置在接近用于连接脚踏(未图示)的接头423的位置。末端平台 421连接至上部平台413，并在电机向上部平台413施加力矩时被上部平台413驱动。接头 423在末端平台421被旋转时运动，以带动脚踏转动。主轴401可旋转地连接在中间平台411和脚踏接头423之间。采用球轴承使主轴 401可转动。主轴401进一步包括袖口调节部件405，如孔，用于放置小腿袖。如前所描述的，下肢关节联动装置400包括切换机构407和延伸轴409。图5和图6示出了本发明下肢关节联动装置脚踏的使用。图5示出了一个脚踏装置500，其设置有带孔501、调节按钮503、用于连接至下肢关节联动装置的适配连接器505和用于放置使用者脚的容器507。图6示出了脚踏装置的底部，包括带孔601和调节按钮603。图7是上肢关节联动装置的顶部示意图，包括但不限于末端平台701，上部平台 703，侧轴705，切换机构707，具有棘齿的下部平台713、延伸轴709、主轴711，臂袖调节部件 715。具有棘齿的下部平台713用于放置切换机构707，并通过棘轮(未图示)将其锁定在适当的位置。下部平台713上的孔可放置切换机构707上的连接头，以在末端关节的旋转训练中适应不同的近端关节角度。在一个实施例中，孔相隔10°，这意味着关节角度每次可调整10°。图8是关节联动装置的末端平台的转动方法。在训练时，通过连接至上部平台808的电机沿上部平台808上的孔将力矩施加于关节联动装置800上。首先，切换机构802通过棘齿804锁定在下部平台上的适当位置。如上所述，切换机构802具有与下部平台相互作用的棘轮。在第一位置809的上部平台由使用者顺着施加在关节联动装置800上的动力矩、或克服施加在关节联动装置800上的阻力矩移动。上部平台运动至第二位置811带动侧轴从第一位置805移动到第二位置807。侧轴的运动带动末端平台从第一位置801移动至第二位置803。在这个具体实施例中，当切换机构802因此而锁住，末端平台801/803让使用者的末端关节，如腕关节或踝关节，从第一位置801被转动至第二位置803。
图9是关节联动装置的近端平台旋转方法。在此方法中，切换机构锁在一个位置， 使末端平台不能转动，但是允许主轴转动。首先，切换机构锁在上部平台和中间平台上。使用时，通过电机向上部平台施加力矩。实际应用时，上部平台从第一位置909到第二位置911。侧轴从第一位置905到第二位置907。同样地，主轴绕中间平台(未图示)旋转，从第一位置913旋转至第二位置915。 末端平台不跟着主轴旋转，从第一位置901移动至第二位置903。图10示出了关节联动装置末端和近端关节一起旋转的方法。如前面所述的电机1001通过电机轴1003向关节联动装置1000提供力矩。电机轴直接连接在关节联动装置1000的上部平台上。上部平台1011连接在末端平台(未图示)， 在中间平台1009不与上部平台1011锁住时，使得末端关节旋转。使用时，如果切换机构锁在第一位置1015，中间平台1009和下部平台1007锁在一起，上部平台1011在电机1001带动下旋转，中间平台1009和下部平台1007锁在适当的位
置，关节联动装置的末端平台即可转动。在另一方法中，切换机构锁在第二位置1013，中间平台1009和上部平台1011也锁在此位置，当下部平台1007固定，中间平台1009和上部平台1011可在电机的作用下同时
旋转。本方法可使得装置的近端平台转动。图11是训练装置的切换机构和平台的一个具体实施例示意图。切换机构1101通过其手柄，可与一个或两个位置相接触，具体可以是第一孔1103和第二孔1107。切换机构 1101上的一个附加棘轮1105使得第二孔1107可以被接触。在第一孔1103处，下部平台 1109通过棘齿1115沿中间平台1111锁定。在第二孔1107处，中间平台1111与上部平台 1113锁连。图12是使用者与本关节联动装置相互配合示意图。使用者1201的肢体1203穿过关节联动装置1205的臂袖1207，使用者的手掌1209 放置在手扣内。如图12所示，关节联动装置1205锁定在允许末端平台转动的位置，以使得使用者1201的腕关节旋转。关节联动装置1205安装在机器人系统1211上。以上已参考附图描述了本发明的具体实施例，应当理解的是本发明不限于以上具体实施例，可以由本领域技术人员在不违反本发明原理和精神情况下所做出的改变和替换已经在附加权利要求中进行定义。在解释附加权利要求时，应当理解a)词语“由…组成”不包括在现有权利要求中没有列出的部件或行为；b)在一个部件前面的词语“一个”不排除含多个这种部件的情况；c)权利要求中的任何参考信息不影响其范围；d)除非有特别说明，任何一个被描述的装置或部件可相互结合或分立成进一步的部件；且e)除非有特别说明，其中的行为或步骤没有特定的先后次序。
权利要求
1.一种用于训练单肢多关节的关节联动装置(100，200，700，800，1205)，其特征在于， 包括具有延伸部的上部平台(201,413,703,809)；设置在所述上部平台下方的中间平台(208，411)；设置在所述中间平台底下的具有切换机构(109，707)的下部平台(713)；具有延伸部的末端平台(205,421,701)；侧轴(209，403，70 可旋转地设置在所述上部平台的延伸部和末端平台的延伸部之间；主轴Ο13，401，711)可旋转地设置在所述中间平台和所述末端平台底部之间； 臂袖(105，203，1207)；选自包括手扣(107,207)和脚踏(305)的组件的扣件(107,207)；用于与挡块(112)接触的延伸轴(111，709)；其中，所述下部平台边缘设置有棘齿，用于与由所述切换机构启动的止轮相接触。
2.根据权利要求1所述的关节联动装置，其特征在于，进一步包括袖口调节部件 (715)。
3.根据权利要求1所述的关节联动装置，其特征在于，进一步包括靠近所述末端平台设置的接头023)。
4.根据权利要求3所述的关节联动装置，其特征在于，所述扣件连接在所述接头上。
5.根据权利要求1所述的关节联动装置，其特征在于，所述侧轴的两端均设置有外螺纹孔。
6.根据权利要求1所述的关节联动装置，其特征在于，所述扣件可旋转的设置在所述末端平台上。
7.根据权利要求1所述的关节联动装置，其特征在于，所述上部平台进一步包括用于放置电机轴的孔。
8.根据权利要求5所述的关节联动装置，其特征在于，所述上部平台和末端平台的延伸部上设置有内螺纹孔，用于适配所述侧轴的外螺纹端。
9.根据权利要求1所述的关节联动装置，其特征在于，进一步包括用于使所述装置可电动操作的电子元件。
10.根据权利要求1所述的关节联动装置，其特征在于，还包括主杆。
11.一种关节联动装置的末端平台转动方法，包括以下步骤 锁住中间平台和下部平台；向上部平台施加力矩；将所述上部平台从第一位置旋转至第二位置，同时将侧轴从第一位置旋转至第二位置；以及将所述末端平台从第一位置旋转至第二位置。
12.根据权利要求11所述的末端平台转动方法，其特征在于，通过启动切换机构，使棘轮与下部平台上的棘齿相接触，来锁住所述中间平台和所述下部平台。
13.根据权利要求11所述的末端平台转动方法，其特征在于，施加的力矩可以是动力矩、阻力矩或动/阻力矩。
14.根据权利要求11所述的末端平台转动方法，其特征在于，还包括以下步骤 使所述主轴在所述关节联动装置的近端和末端之间保持静止。
15.一种关节联动装置的近端平台转动方法，包括以下步骤 锁住上部平台和中间平台；向所述上部平台施加力矩； 将所述上部平台从第一位置旋转至第二位置； 将侧轴从第一位置旋转至第二位置； 将主轴从第一位置旋转至第二位置； 以及将末端平台从第一位置移到第二位置； 其中所述末端平台不旋转。
16.根据权利要求15所述的关节联动装置的近端平台转动方法，其特征在于，施加的力矩可以是动力矩、阻力矩或动/阻力矩。
17.根据权利要求16所述的关节联动装置的近端平台转动方法，其特征在于，通过启动切换机构来锁住所述上部平台和中间平台。
全文摘要
一种用于单肢多关节训练的关节联动装置和方法。所述装置包括具有上部平台(201、413、703、809)的近端、中间平台(208、411)和设置有切换机构(109，707)的下部平台(713)、具有延伸部的末端平台和可在上部平台与末端平台之间旋转的侧轴(209，403，705)、可旋转的设置于中间平台侧面和末端平台之间的主轴(213，401，711)。所述关键联动装置的近端和远端可旋转，以训练臂的不同关节。所述切换开关用于完成所述近端与远端之间的切换。
文档编号A61H1/00GK102316840SQ200880016969
公开日2012年1月11日 申请日期2008年5月22日 优先权日2007年5月22日
发明者宋嵘, 彭民杰·彼得, 李德志, 林昭凯, 梁焕方·华莱士, 汤启宇, 谭惠民, 邝国权, 郭景麟, 陈茂华 申请人:香港理工大学