上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及醫(yī)療康復(fù)設(shè)備，尤其是涉及一種穿戴式上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步帶來了人類生活水平的不斷提高和改善。但是， 伴隨這一現(xiàn)象而產(chǎn)生的人口老齡化問題卻成為了全球性的一個(gè)難題。根據(jù)人口結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié) 果的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)如同其他很多國(guó)家一樣也已經(jīng)步入了"老年性"社會(huì)。預(yù)計(jì)到2040年前 后，我國(guó)年齡處于65歲及以上老年人的人口數(shù)量將會(huì)占據(jù)總?cè)丝跀?shù)比例的20%以上。由于 老人很有可能患有各種各樣的慢性疾病，通常會(huì)導(dǎo)致中風(fēng)、偏癱和肌肉麻痹等疾病的發(fā)生。 病人在進(jìn)行了一般的手術(shù)治療之后還需要進(jìn)行額外的輔助康復(fù)訓(xùn)練，這樣才能夠進(jìn)一步促 進(jìn)局部血液的循環(huán)，從而緩解關(guān)節(jié)和肌肉的萎縮。這一現(xiàn)象造成了醫(yī)療需求的快速增長(zhǎng)和 醫(yī)療費(fèi)用的急劇上升，已經(jīng)并將繼續(xù)對(duì)患者的家庭，甚至是全社會(huì)造成巨大壓力。同時(shí)，由 于經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們的生活水平有了極大的提高，家用轎車的數(shù)量也急劇上升。雖然這 方便了人們的出行，但是也帶來了極大的負(fù)面影響，例如交通、環(huán)境問題等。不得不提的是， 車禍的數(shù)量也大大的提高了，而車禍傷害的患者的四肢能力也常在不同程度上受到制約， 這就造成了越來越多的人由于車禍而出現(xiàn)一系列的四肢康復(fù)需求。
[0003] 隨著我國(guó)人口老齡化進(jìn)程的加快，各種車禍導(dǎo)致的疾病的肆虐，以及人們健康意 識(shí)的增強(qiáng)，這所以的一切都推動(dòng)著本課題研宄對(duì)象-上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的發(fā)展。同時(shí)，根據(jù) 前人研宄表明，醫(yī)療儀器已經(jīng)開始從結(jié)構(gòu)和操作十分復(fù)雜的、僅適合應(yīng)用于醫(yī)院的大型專 業(yè)醫(yī)療設(shè)備，逐漸朝著既適用于醫(yī)院又適用于家庭和個(gè)人的小型穿戴式的，甚至是植入式 的醫(yī)療設(shè)備的方向發(fā)展。
[0004] 上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置是一種特別為具有上肢功能障礙的患者研制而成的主要針對(duì) 其康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)械裝置。這種設(shè)備的目的在于通過帶動(dòng)患者進(jìn)行各種特定的訓(xùn)練從而幫助 患者恢復(fù)原有的功能，達(dá)到更好的康復(fù)效果，實(shí)現(xiàn)最大程度的生活自理能力。
[0005] 然而，由于上肢長(zhǎng)短、粗細(xì)等方面的情況因人而異，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該將這一變數(shù)加 以考慮，盡可能將機(jī)械手臂上臂和前臂的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為可以調(diào)整的。至于手臂粗細(xì)的人體，可 以通過改變軟墊的厚度等措施來彌補(bǔ)患者之間的這一差異。
[0006] 由于不同的患者其自身情況和病情輕重有所差異，例如同樣是上肢肌肉萎縮，老 年人和年輕人就有很大的差距，因此應(yīng)該為他們量身定制不同的訓(xùn)練強(qiáng)度。根據(jù)訓(xùn)練強(qiáng)度 的不同要求，可以將上肢康復(fù)訓(xùn)練的訓(xùn)練模式分為三種，分別為被動(dòng)運(yùn)動(dòng)、助力運(yùn)動(dòng)和阻力 運(yùn)動(dòng)。所謂被動(dòng)運(yùn)動(dòng)是指由上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置提供的動(dòng)力來帶動(dòng)患者的受傷肢體進(jìn)行康復(fù) 訓(xùn)練以達(dá)到康復(fù)目的的訓(xùn)練方式。此時(shí)患者處于被動(dòng)的狀態(tài)，其訓(xùn)練結(jié)果與患者自身的意 識(shí)沒有較大的差距，因此稱之為被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這種類型的康復(fù)訓(xùn)練裝置使患者在被動(dòng)意識(shí)下 接受輔助康復(fù)治療，難于針對(duì)患者的特點(diǎn)給予個(gè)性化的調(diào)整。由于安裝有驅(qū)動(dòng)器，導(dǎo)致整個(gè) 裝置比較笨重，穿戴在患者身上也造成了患者的負(fù)擔(dān)，且一旦出現(xiàn)操作失誤或者其他意外 情況可能對(duì)患者造成較大的傷害。同時(shí)，這種裝置自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造的成本也較 高，導(dǎo)致購(gòu)買這類設(shè)備的費(fèi)用一般較高，給病人的家庭和社會(huì)造成了沉重的負(fù)擔(dān)。
[0007] 20世紀(jì)80年代是康復(fù)訓(xùn)練裝置研宄的初期階段，美國(guó)、英國(guó)和日本等多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó) 家在這一方面的研宄狀況處于世界的領(lǐng)先地位。穿戴式上肢機(jī)器人研宄的初衷是用于軍 事領(lǐng)域的，希望用外骨骼機(jī)器人來提高單兵作戰(zhàn)能力，例如給人提供保護(hù)、額外的動(dòng)力和能 力，增強(qiáng)人體機(jī)能，使得軍人能夠輕松地完成很多艱難的活動(dòng)和任務(wù)。但是，隨著研宄的進(jìn) 一步加深，研宄人員發(fā)現(xiàn)這種設(shè)備在現(xiàn)實(shí)生活中有更大的需求，所以逐漸轉(zhuǎn)向民用的醫(yī)療 康復(fù)領(lǐng)域。
[0008] 自1997年以來，美國(guó)麻省理工學(xué)院相繼研宄出ARM-guide，MAHI，CADEN-7等設(shè)備， 開啟了穿戴式康復(fù)訓(xùn)練裝置的先河。緊接著，MIT-MUNS-第一個(gè)康復(fù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。此 后，許多類型的治療設(shè)備已經(jīng)通過巧妙的研宄人員研宄出來。
[0009] 美國(guó)的研宄不僅僅局限于此，外骨骼機(jī)器人"WEAR"是由薩克斯公司開發(fā)研制出來 的第一款外骨骼機(jī)器人。緊接著，他們又成功研制出了 X0S，這款外骨骼機(jī)器人代表著2008 年乃至此后許多年這一領(lǐng)域最為頂尖的技術(shù)。它通過多個(gè)附著在人體表面的傳感器給外骨 骼傳送信號(hào)，這種信號(hào)以最快的速度傳達(dá)并且處理，使XOS機(jī)器人可以迅速反應(yīng)身體的動(dòng) 作，與其做出相同的反應(yīng)。這一機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了人體最大可能的負(fù)重，據(jù)測(cè)試，當(dāng)穿上XOS外 骨骼的試驗(yàn)者舉起200鎊的重物時(shí)，其實(shí)際負(fù)重感覺只有20鎊。
[0010] 日本在這一研宄領(lǐng)域也是世界的佼佼者，據(jù)統(tǒng)計(jì)世界上大約一半的工業(yè)機(jī)器人都 是由日本實(shí)用新型出來的。在這一領(lǐng)域就不得不提到2005年由筑波大學(xué)在成功研制的一 臺(tái)商業(yè)全身式外骨骼機(jī)器人HAL-5。當(dāng)時(shí)，這臺(tái)機(jī)器人被《時(shí)代》雜志評(píng)為最佳發(fā)明。雖然 這臺(tái)機(jī)器人有較大的自重，但是它是重力平衡的，可以自我支撐，所以使用者穿上它之后并 不會(huì)感覺有額外的負(fù)擔(dān)。HAL-5的研制十分適應(yīng)日本的社會(huì)現(xiàn)狀，即十分嚴(yán)重的社會(huì)老齡化 的發(fā)展趨勢(shì)。它的設(shè)計(jì)主旨是幫助老年人或行走失調(diào)者設(shè)計(jì)制造的一個(gè)能夠幫助他們運(yùn)動(dòng) 的輔助外骨骼裝置，幾乎日常生活中的一切活動(dòng)幾乎都可以借助HAL-5完成。
[0011] 國(guó)外的有些設(shè)計(jì)不僅僅只有這些，還有T52Enryu、松下充氣式外骨骼等，這些研宄 成果給國(guó)內(nèi)外此研宄領(lǐng)域的人員帶來了許多借鑒和思考。
[0012]目前國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的研宄相對(duì)薄弱，就上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置而言，產(chǎn)品的功能相對(duì) 單一，其運(yùn)用的范圍僅限于局部關(guān)節(jié)，也就是上文提到的關(guān)節(jié)的單一運(yùn)動(dòng)，例如肩關(guān)節(jié)屈/ 伸運(yùn)動(dòng)、肘關(guān)節(jié)屈/伸運(yùn)動(dòng)等，難于做到五個(gè)關(guān)節(jié)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。而且，現(xiàn)有的這一領(lǐng)域的不 管是上市產(chǎn)品還是研宄中的設(shè)備都存在著智能化程度不高的弊端。
[0013] 值得慶幸的是，越來越多的人認(rèn)識(shí)到了這一不為樂觀的現(xiàn)狀，所以國(guó)內(nèi)幾所高校 也開始了對(duì)人體上下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的探索。近年來，浙江大學(xué)率先研宄出一款助力外骨 骼，它利用液壓作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)來源，因此能夠提供較大的能量，也就是說這款外骨骼可以承 受較大質(zhì)量的重物。除此之外，佳木斯大學(xué)工程技術(shù)研宄所對(duì)人體下肢機(jī)械式膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng) 進(jìn)行了分析，他們分析了人體膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和組成，通過對(duì)機(jī)械膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)要求的研宄得 出機(jī)械膝關(guān)節(jié)支撐期控制法和機(jī)械膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)期的控制法。這項(xiàng)研宄雖然是下肢研宄的 部分，但是他們的研宄方法和研宄結(jié)果對(duì)于研宄上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置具有十分重要的借鑒意 義，對(duì)開發(fā)更為先進(jìn)和適宜的產(chǎn)品提供幫助。
[0014] 因?yàn)樯现祻?fù)訓(xùn)練裝置要與人類上肢一起運(yùn)動(dòng)，所以需要它能都產(chǎn)生與上肢運(yùn)動(dòng) 類似的運(yùn)動(dòng)。就像XOS機(jī)器人通過傳感器提供的信號(hào)可以迅速反應(yīng)身體的動(dòng)作，與其做出 相同的反應(yīng)?；谶@一方面的考慮，在設(shè)計(jì)一個(gè)合理的上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置以前，需要對(duì)人類 上肢的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有一個(gè)十分清晰的把握。
[0015] 上肢有三個(gè)關(guān)節(jié)，分別為肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。其中，肩關(guān)節(jié)是一個(gè)典型的多 軸球窩關(guān)節(jié)，具有三個(gè)自由度，是最為靈活的關(guān)節(jié)之一，可以作屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。肩 關(guān)節(jié)周圍有大量的肌肉，正是因?yàn)檫@些肌肉的存在才使得肩關(guān)節(jié)有一定的穩(wěn)固性。肘關(guān)節(jié) 是一個(gè)單軸關(guān)節(jié)，只有一個(gè)自由度，能夠進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)。至于，腕關(guān)節(jié)則有兩個(gè)自由度。
[0016] 上肢康復(fù)訓(xùn)練的主要目的是為了恢復(fù)上肢肌肉原有的功能，這就不可避免的需要 對(duì)上肢部分的關(guān)鍵肌肉有一定深入的了解。查找相關(guān)資料，了解到上肢部分有三個(gè)肌肉是 十分關(guān)鍵，它們分別為三角肌、肱二頭肌和肱三頭肌。三角肌的位置在肩部，呈現(xiàn)出來的是 三角形的形狀，所以將其命名為三角肌，它的功能主要是使肩關(guān)節(jié)外展。肱二頭肌的位置在 上臂的前側(cè)，呈現(xiàn)出來的形狀十分像梭子一一一頭長(zhǎng)一頭短，所以稱之為二頭肌。肱二頭肌 的收縮與肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，當(dāng)肱二頭肌收縮時(shí)，肘關(guān)節(jié)處于彎曲狀態(tài)；而當(dāng)肱二頭肌 處于舒張狀態(tài)時(shí)，肘關(guān)節(jié)一般處于伸直狀態(tài)。肱三頭肌的位置處于上臂的后側(cè)，因?yàn)樗耐?形有三個(gè)頭，所以稱其為為三頭肌。它的收縮與肘關(guān)節(jié)的運(yùn)功也密切相關(guān)，但是功能與肱二 頭肌相反。當(dāng)肱三頭肌收縮時(shí)，肘關(guān)節(jié)一般處于伸直狀態(tài)；而當(dāng)肱三頭肌舒張時(shí)，肘關(guān)節(jié)處 于彎曲狀態(tài)。
[0017] 車仁煒等人分析得出穿戴式上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)要基于舒適性和經(jīng)濟(jì)性的 原則進(jìn)行，他們研宄了 Safaee-Rad等人對(duì)10名正常的成年人所進(jìn)行的多個(gè)日常生活中的 動(dòng)作所做的觀察和測(cè)量，同時(shí)參照仿生機(jī)械手臂模型，并且結(jié)合康復(fù)醫(yī)療的相關(guān)知識(shí)所得 出的結(jié)論，將上肢的的運(yùn)動(dòng)大致簡(jiǎn)化為五自由度模型，如表1所示，分別為肩關(guān)節(jié)屈/伸運(yùn) 動(dòng)，肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)屈/伸運(yùn)動(dòng)，前臂內(nèi)旋/外旋運(yùn)動(dòng)，腕關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收運(yùn) 動(dòng)。
[0018] 表1各關(guān)節(jié)單獨(dú)動(dòng)作時(shí)的運(yùn)動(dòng)范圍
[0020] 然而在現(xiàn)實(shí)生活中，不僅僅只是這五個(gè)關(guān)節(jié)的單一運(yùn)動(dòng)，而是要實(shí)現(xiàn)這五個(gè)關(guān)節(jié) 的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。所以在設(shè)計(jì)上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置時(shí)要在滿足各個(gè)關(guān)節(jié)單獨(dú)康復(fù)的基礎(chǔ)上，對(duì)于 多關(guān)節(jié)的同步康復(fù)應(yīng)當(dāng)給予充分的考慮。例如，腕關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，前臂內(nèi)旋/外旋運(yùn) 動(dòng)，肘關(guān)節(jié)屈/伸運(yùn)動(dòng)和肩關(guān)節(jié)屈/伸運(yùn)動(dòng)這四個(gè)運(yùn)動(dòng)均可以同時(shí)進(jìn)行。
[0021] 根據(jù)林博揚(yáng)等人的研宄成果，可以建立上肢動(dòng)力學(xué)模型。上肢主要包括兩個(gè)部份， 即上臂和前臂。其中，上臂是從肩到肘部的區(qū)域，而前臂是從肘的指尖的部分。
[0022] 上肢動(dòng)力學(xué)模型十分復(fù)雜，特別是肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)和腕關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收運(yùn) 動(dòng)難以通過簡(jiǎn)單的、純機(jī)