一种膝关节锻炼装置及其锻炼方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种膝关节锻炼装置及其锻炼方法。已有的膝关节恢复装置需固定在坐具或床具上，装置结构大而笨重。本发明专利技术一种膝关节锻炼装置，包括大腿固定器、仿人体膝关节辅助装置和小腿固定器。第二环状气囊固定在小环形支架的内侧面。仿人体膝关节辅助装置包括类股骨机构、类胫骨机构、仿软骨气囊、类韧带机构和人造肌肉。类股骨机构包括第一条形滑轨、类股骨滑块和第一调节压紧组件。类胫骨机构包括第二条形滑轨、类胫骨滑块和第二调节压紧组件。类韧带机构包括底座、弹簧、限位块、运动条和位移传感器。本发明专利技术采用纯气动驱动，并结合人造肌肉，在传力过程中具有很好的缓冲效果，进而保证使用者锻炼的安全性。

A Kind of Knee Joint Exercise Device and Its Exercise Method

The invention discloses a knee joint exercise device and a training method thereof. The existing knee joint restoring device needs to be fixed on the seat or bedding. The structure of the device is large and bulky. The invention relates to a knee joint exercise device, which comprises a thigh fixator, a human-like knee joint auxiliary device and a leg fixator. The second annular balloon was fixed on the inner side of the small annular stent. The assistant devices of human knee joint include femoral-like mechanism, tibial-like mechanism, cartilage-like balloon, ligament-like mechanism and artificial muscle. The femoral-like mechanism includes the first slide rail, the femoral-like slide block and the first adjusting and pressing component. The tibial-like mechanism comprises a second slide rail, a tibial-like slide block and a second adjusting and pressing assembly. Ligament-like mechanisms include base, spring, limit block, motion bar and displacement sensor. The invention adopts pure pneumatic drive and combines artificial muscle, which has good cushioning effect in the process of force transmission, thereby ensuring the safety of exercise for users.

【技术实现步骤摘要】
一种膝关节锻炼装置及其锻炼方法
本专利技术属于医疗器械
，具体涉及一种膝关节锻炼装置及其锻炼方法。
技术介绍
膝关节是人体下肢运动的关键部位，同时也非常容易受到损失。临床医学在针对膝关节疼痛，纠正膝关节畸形，治疗膝关节骨肿瘤等问题时，常采取膝关节置换手术治疗。患者在术后需要活动腿部，以促进血液回流；康复训练时需要长时间进行平衡、协调性练习。目前大多是依靠膝关节恢复装置来辅助患者的锻炼康复，已有的膝关节恢复装置需固定在坐具或床具上，装置结构大而笨重，刚性连接的运动方式和人体关节的柔韧运动不符，存在损害膝关节的安全隐患；驱动方式多采用液压或电机，在传力过程中存在缓冲较差的问题，会产生较大的冲击力，从而影响关节处的康复。因此，设计一种膝关节柔性恢复装置十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种膝关节锻炼装置及其锻炼方法。本专利技术一种膝关节锻炼装置，包括大腿固定器、仿人体膝关节辅助装置和小腿固定器。所述的大腿固定器包括大环形支架和第一环状气囊。第一环状气囊固定在大环形支架的内侧面。小腿固定器包括小环形支架和第二环状气囊。第二环状气囊固定在小环形支架的内侧面。所述的仿人体膝关节辅助装置包括类股骨机构、类胫骨机构、仿软骨气囊、类韧带机构和人造肌肉。所述的类股骨机构包括第一条形滑轨、类股骨滑块和第一调节压紧组件。第一条形滑轨与大环形支架固定，与类股骨滑块构成滑动副。第一条形滑轨与类股骨滑块通过第一调节压紧组件固定。类股骨滑块的内端外凸设置。所述的类胫骨机构包括第二条形滑轨、类胫骨滑块和第二调节压紧组件。第二条形滑轨与小环形支架固定，与类胫骨滑块构成滑动副。第二条形滑轨与类胫骨滑块通过第二调节压紧组件固定。类股骨滑块远离大腿固定器的内端内凹设置。所述仿软骨气囊设置在类股骨滑块的内端与类胫骨滑块的内端之间。所述的类韧带机构包括底座、弹簧、限位块、运动条和位移传感器。底座与类股骨滑块构成转动副。运动条的一端与类胫骨滑块铰接，中部与底座构成滑动副，另一端固定有限位块。限位块套至在运动条上，且位于底座与限位块之间。位移传感器的两端与底座、运动条分别固定。类韧带机构共有两个。两个类韧带机构内的运动条相互交叉。所述人造肌肉的两端与类股骨滑块、类胫骨滑块分别铰接。进一步地，本专利技术一种膝关节锻炼装置还包括控制器和气路组件。所述的气路组件包括气源、溢流阀、气压传感器、电动减压阀、第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀和第四换向阀。所述溢流阀的进气口与气源的出气口连接，溢流口与外界环境连通。第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀、电动减压阀的进气口均与气源的出气口连接。电动减压阀的出气口与第四换向阀的进气口连接。第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀、第四换向阀的工作气口与第一环状气囊、第二环状气囊、仿软骨气囊的进气口、人造肌肉上的气嘴分别连接。第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀、第四换向阀的电磁控制接口与控制器的四个控制输出接口分别相连。气压传感器、两个位移传感器的信号输出接口与控制器的三个信号输入接口分别连接。电动减压阀的控制输入接口与控制器的压力调节接口连接。气源的供电接口通过继电器与电源连接。继电器的控制接口与控制器相连。进一步地，所述的第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀及第四换向阀均为两位三通换向阀；所述两位三通换向阀的第一个工作位中，进气口截止，工作气口与出气口连通；第二个工作位中，进气口与工作气口连通，出气口截止。进一步地，第一调节压紧组件包括第一齿轮、第一齿条、第一手轮和第一紧定螺栓。第一条形滑轨上固定有第一齿条。第一齿轮支承在类股骨滑块上。第一齿条和第一齿轮啮合。第一齿轮与第一手轮固定。类股骨滑块上开设有第一螺纹孔。第一螺纹孔内旋有第一紧定螺栓。第一紧定螺栓的内端抵住第一条形滑轨，外端设置有旋转把手。进一步地，所述的第二调节压紧组件包括第二齿轮、第二齿条、第二手轮和第二紧定螺栓。第二条形滑轨上固定有第二齿条。第二齿轮支承在类股骨滑块上。第二齿条和第二齿轮啮合。第二齿轮与第二手轮固定。类股骨滑块上开设有第二螺纹孔。第二螺纹孔内旋有第二紧定螺栓。第二紧定螺栓的内端抵住第二条形滑轨，外端设置有旋转把手。进一步地，所述的人造肌肉包括外层编织网、内层弹性橡胶管和气嘴。所述的外层编织网的两端均固定有铰接块。人造肌肉的内腔中设置有内层弹性橡胶管。内层弹性橡胶管的两端与两个铰接块分别固定。外层编织网上设置有气嘴。气嘴与人造肌肉的内腔连通。该膝关节恢复装置恢复方法具体如下：步骤一、使用者将大腿、小腿分别放到第一环状气囊、第二环状气囊上。使用者第一条形滑轨、类股骨滑块的相对位置以及第二条形滑轨、类胫骨滑块的相对位置后，紧固第一调节压紧组件和第二调节压紧组件。步骤二、气源启动，第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀使得第一环状气囊、第二环状气囊、仿软骨气囊的进气口与气源出气口连通，使得大腿固定器、小腿固定器与使用者的大腿、小腿分别固定，仿软骨气囊鼓起。步骤三、使用者设置锻炼模式，锻炼模式分为主动锻炼和被动锻炼。若使用者选择主动锻炼，则执行步骤四至七。若使用者选择被动锻炼，则执行步骤八和九。步骤四、使用者设定运动次数n。控制器通过第四换向阀使得人造肌肉的气嘴与气源出气口连通，使得人造肌肉进气。电动减压阀调节人造肌肉内的气压至复位压力，使得仿人体膝关节辅助装置达到初始状态。步骤五、i＝1,2,…,n，依次执行步骤六和七。步骤六、电动减压阀调节人造肌肉内的气压至到位压力阈值，使得人造肌肉变形，带动大腿固定器与小腿固定器相对运动。步骤七、电动减压阀减小人造肌肉内的气压至复位压力，使得仿人体膝关节辅助装置回复到初始状态。步骤八、控制器通过第四换向阀使得人造肌肉的进气口与气源出气口连通，使得人造肌肉进气。电动减压阀调节人造肌肉内的气压至阻碍压力值，使得人造肌肉能够在使用者的腿部运动时，提供阻力。之后，第四换向阀使得人造肌肉的气嘴封闭。步骤九、使用者运动自身的膝关节，仿人体膝关节辅助装置随使用者膝关节的运动而运动，并为使用者提供阻力。进一步地，步骤六和七执行过程中，位移传感器持续检测底座与运动条的相对位移量，当底座与运动条的相对位移量超过危险阈值时，气源关闭。进一步地，步骤四中，使用者还设定了设定幅度θ。到位压力阈值根据幅度θ计算得到。人造肌肉内的气压达到到位压力阈值时第一条形滑轨与第二条形滑轨的轴线的夹角与初始状态时第一条形滑轨与第二条形滑轨的轴线的夹角之差为等于θ。进一步地，仿人体膝关节辅助装置处于初始状态时，第一条形滑轨与第二条形滑轨的轴线相互垂直，此时，使用者的大腿和小腿呈直角。本专利技术具有的有益效果是：1、本专利技术采用纯气动驱动，并结合人造肌肉，在传力过程中具有很好的缓冲效果，进而保证使用者锻炼的安全性。2、本专利技术模仿人体膝关节的柔性运动，有助于降低患者锻炼运动的安全隐患。3、本专利技术轻便灵活，且适用于不同年龄、体型层次的患者。4、本专利技术采用人工肌肉作为执行机构，强度高，成本低廉，且便于控制。附图说明图1为本专利技术的总体结构示意图；图2为本专利技术中仿人体膝关节辅助装置的示意图；图3为本专利技术中类韧带机构的示意图；图4为本专利技术中人造肌肉的示意图；图5为本专利技术中气路组件的气路连接图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，一种膝关节锻炼装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种膝关节锻炼装置，，包括大腿固定器和小腿固定器；其特征在于：还包括仿人体膝关节辅助装置；所述的大腿固定器包括大环形支架和第一环状气囊；第一环状气囊固定在大环形支架的内侧面；小腿固定器包括小环形支架和第二环状气囊；第二环状气囊固定在小环形支架的内侧面；所述的仿人体膝关节辅助装置包括类股骨机构、类胫骨机构、仿软骨气囊、类韧带机构和人造肌肉；所述的类股骨机构包括第一条形滑轨、类股骨滑块和第一调节压紧组件；第一条形滑轨与大环形支架固定，与类股骨滑块构成滑动副；第一条形滑轨与类股骨滑块通过第一调节压紧组件固定；类股骨滑块的内端外凸设置；所述的类胫骨机构包括第二条形滑轨、类胫骨滑块和第二调节压紧组件；第二条形滑轨与小环形支架固定，与类胫骨滑块构成滑动副；第二条形滑轨与类胫骨滑块通过第二调节压紧组件固定；类股骨滑块远离大腿固定器的内端内凹设置；所述仿软骨气囊设置在类股骨滑块的内端与类胫骨滑块的内端之间；所述的类韧带机构包括底座、弹簧、限位块、运动条和位移传感器；底座与类股骨滑块构成转动副；运动条的一端与类胫骨滑块铰接，中部与底座构成滑动副，另一端固定有限位块；限位块套至在运动条上，且位于底座与限位块之间；位移传感器的两端与底座、运动条分别固定；类韧带机构共有两个；两个类韧带机构内的运动条相互交叉；所述人造肌肉的两端与类股骨滑块、类胫骨滑块分别铰接。...

【技术特征摘要】
1.一种膝关节锻炼装置，，包括大腿固定器和小腿固定器；其特征在于：还包括仿人体膝关节辅助装置；所述的大腿固定器包括大环形支架和第一环状气囊；第一环状气囊固定在大环形支架的内侧面；小腿固定器包括小环形支架和第二环状气囊；第二环状气囊固定在小环形支架的内侧面；所述的仿人体膝关节辅助装置包括类股骨机构、类胫骨机构、仿软骨气囊、类韧带机构和人造肌肉；所述的类股骨机构包括第一条形滑轨、类股骨滑块和第一调节压紧组件；第一条形滑轨与大环形支架固定，与类股骨滑块构成滑动副；第一条形滑轨与类股骨滑块通过第一调节压紧组件固定；类股骨滑块的内端外凸设置；所述的类胫骨机构包括第二条形滑轨、类胫骨滑块和第二调节压紧组件；第二条形滑轨与小环形支架固定，与类胫骨滑块构成滑动副；第二条形滑轨与类胫骨滑块通过第二调节压紧组件固定；类股骨滑块远离大腿固定器的内端内凹设置；所述仿软骨气囊设置在类股骨滑块的内端与类胫骨滑块的内端之间；所述的类韧带机构包括底座、弹簧、限位块、运动条和位移传感器；底座与类股骨滑块构成转动副；运动条的一端与类胫骨滑块铰接，中部与底座构成滑动副，另一端固定有限位块；限位块套至在运动条上，且位于底座与限位块之间；位移传感器的两端与底座、运动条分别固定；类韧带机构共有两个；两个类韧带机构内的运动条相互交叉；所述人造肌肉的两端与类股骨滑块、类胫骨滑块分别铰接。2.根据权利要求1所述的一种膝关节锻炼装置，其特征在于：还包括控制器和气路组件；所述的气路组件包括气泵、溢流阀、气压传感器、电动减压阀、第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀和第四换向阀；所述溢流阀的进气口与气泵的出气口连接，溢流口与外界环境连通；第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀、电动减压阀的进气口均与气泵的出气口连接；电动减压阀的出气口与第四换向阀的进气口连接；第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀、第四换向阀的工作气口与第一环状气囊、第二环状气囊、仿软骨气囊的进气口、人造肌肉上的气嘴分别连接；第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀、第四换向阀的电磁控制接口与控制器的四个控制输出接口分别相连；气压传感器、两个位移传感器的信号输出接口与控制器的三个信号输入接口分别连接；电动减压阀的控制输入接口与控制器的压力调节接口连接；气泵的供电接口通过继电器与电源连接；继电器的控制接口与控制器相连。3.根据权利要求1所述的一种膝关节锻炼装置，其特征在于：所述的第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀及第四换向阀均为两位三通换向阀；所述两位三通换向阀的第一个工作位中，进气口截止，工作气口与出气口连通；第二个工作位中，进气口与工作气口连通，出气口截止。4.根据权利要求1所述的一种膝关节锻炼装置，其特征在于：第一调节压紧组件包括第一齿轮、第一齿条、第一手轮和第一紧定螺栓；第一条形滑轨上固定有第一齿条；第一齿轮支承在类股骨滑块上；第一齿条和第一齿轮啮合；第一齿轮与第一手轮固定；类股骨滑块上开设有第一螺纹孔；第一螺纹孔内旋有第一紧定螺栓；第一紧定螺栓的内端抵住第一条形滑轨，外端设置有旋转把手。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：许明，章佳奇，陈国金，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33