齿条活塞油缸-比例方向阀式等速肌力康复运动装置

摘要

本发明齿条活塞油缸-比例方向阀式等速肌力康复运动装置，含有可调摆杆、齿轮轴、齿条活塞、油缸、比例方向阀、轮座、集成块、及光电编码器、压力变送器；可调摆杆的一端设有搭扣，另一端与齿轮轴连接，向齿轮轴传递扭矩和转动，齿轮轴中部的齿轮与活塞的齿条啮合，齿轮轴通过大、小皮带轮与光电编码器连接，带动编码器转轴转动；光电编码器插入编码器连接体，编码器连接体与轮座同轴；集成块设有四个外置单向阀和比例方向阀，内设油液通路，安装在机座上，外加罩壳，成为不含计算机控制系统的等速肌力康复运动装置；本发明的优点是：结构简单，既适合病人的肌力恢复训练，也适合运动员增强肌力的训练，结构简单、制造成本低、易于推广应用。

说明书

【技术领域】

本发明涉及机械装置设计与制造技术领域，具体的是一种身体康复装置，尤其是齿条活塞油缸-比例方向阀式等速肌力康复运动装置。

【背景技术】

各种运动系统伤病后的病人需要对身体的肌肉功能进行有针对性的康复训练，而这种训练常常需要依靠相应的器械来进行。此外，肌肉功能检查和评价也是康复医学中一项最基本的内容：传统的肌肉功能检查包括等长肌力和等张肌力检查；等速肌力测试和训练技术(简称等速技术)是一项新的肌肉功能评价和训练技术。大量的研究表明，等速肌力测试具有较好的精确性和可重复性，等速肌力训练在临床上对各种运动系统伤病的康复训练有着重要的意义，是增强肌力、改善肢体运动功能的一种有效的训练方法。

目前，等速器械分为两大类：一类以等速肌力测试为主，通常都配有计算机系统，除可进行等速肌力测试外，还能进行等速肌力训练，这类器械价格比较昂贵。另一类以等速肌力训练为主，不带有计算机系统，单用于肌力训练，这类器械价格相对较低，但不能获得客观的肌力测试数据资料。

人体关节肌腱的主动锻炼一般采用重锤滑轮加载的方式，其产生的阻力矩是恒定的。但是，由于关节在各运动角度所产生的最大肌力矩是不同的，因此，设定的阻力矩不能超过康复者关节的最小肌力矩，致使关节得不到充分的锻炼。

理想的肌力康复训练应能使康复者的肌腱在关节运动时的所有角度都能发挥最大的收缩力，从而得到充分的锻炼，达到好的康复效果。这种训练要求加载装置在关节做主动发力运动时，在任何角度都能提供实时的顺应性阻力，这种顺应性阻力的大小应与关节肌力矩始终相等，它的外在表现是关节加速度为零，为等速运动。这种康复运动被康复医学界称为等速关节肌力康复运动，并被认为是最有效、最科学的肌力康复训练方法。

【发明内容】

本发明的目的在于，提供一种在医生的指导下、在主动进行的康复训练中能控制人体关节等速运动的机械装置，该机械装置还能用于连续测定关节位置、关节速度和关节力矩。该装置应该在计算机控制系统的支持下运行，但本发明仅涉及等速运动的机械装置，不包含计算机控制系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种齿条活塞油缸一比例方向阀式等速肌力康复运动装置，包含可调摆杆、齿轮轴、齿条活塞、油缸、油缸端盖、四个外置单向阀、比例方向阀、大皮带轮、小皮带轮、轮座、编码器连接体以及集成块(即装置本体)，其特征是，还设有光电编码器和压力变送器；可调摆杆采用可伸缩的套管结构，由旋纽进行固定，可调摆杆的一端设有搭扣，另一端设有方孔，套在齿轮轴的方头上与齿轮轴连接，传递扭矩和转动，齿轮轴中部设置的齿轮与齿条活塞上部的齿条啮合，将可调摆杆的转动转换为活塞的移动；与齿轮相邻的两个轴段为滑动轴颈，其上设置第一自润滑轴承和第二自润滑轴承，第一自润滑轴承和第二自润滑轴承嵌设在集成块内，用以支承齿轮轴；齿条活塞下部开有长槽，其内插有止转螺钉，使齿条活塞在移动时不能转动，保证齿条与齿轮的正确啮合；齿轮轴上用锥头紧定螺钉固定一个大皮带轮，将齿轮轴的转动通过“O”型截面的皮带传递到小皮带轮；小皮带轮通过固定在其内孔中的尼龙套安装在轮座上，轮座通过螺钉与集成块固连；小皮带轮外端与尼龙套同轴的孔中插入光电编码器的转轴，并以平端紧定螺钉顶紧转轴，使之与小皮带轮一起转动；光电编码器以其定位凸台插入编码器连接体的小端孔中进行定位，并以螺钉固定于编码器连接体上；编码器连接体大端有大孔，大孔与小端孔同轴，与轮座相配，确保编码器连接体与轮座同轴，同时保证光电编码器与小皮带轮同轴，使光电编码器的转轴能灵活转动；油缸的两端设有油缸端盖，油缸端盖内垫有“O”型密封圈；在集成块上设有四个外置单向阀和比例方向阀，比例电磁铁为阀的组成部分，与比例方向阀设置在一起；集成块内设有将各个阀与油缸连接起来的油液通路；集成块下部设有螺孔，集成块通过螺孔安装在机座上，外加罩壳，成为不含计算机控制系统的比例方向阀式等速肌力康复运动装置。

所述的可调摆杆的搭扣为尼龙搭扣软带或皮带。

所述的自润滑轴承为由聚四氟乙烯材料做成的。

所述的光电编码器设有分辨力高于2000脉冲/转的转轴。

本发明是一种运用可变液体流动阻力实现等速运动的装置，当康复训练的肢体绕关节做主动的旋转运动时，通过与肢体固定的可调摆杆带动齿轮轴转动，使与之相啮合的齿条活塞作轴向移动；假如齿条活塞向左移动使油缸左腔容积减小(右腔容积则相应增大)，充盈左腔中的液态油被挤压，经第一单向阀进入比例方向阀，比例方向阀阀口的通流面积受到流经比例电磁铁的电流的控制：当电流大时，阀的开口大，油的流动阻力小；当电流小时，阀的开口小，油的流动阻力大。由于比例方向阀的性能好，其阀口的调节非常灵敏、迅速而精确；高压油流出阀口时，压力急骤降低，成为低压油，然后通过第二单向阀流至油缸的右腔。当关节反向转动时，齿轮轴带动齿条活塞反方向移动，过程与上述类似，所不同的是油的流动方向相反，由油缸的右腔向左腔挤压，经第三单向阀流经比例方向阀，然后通过第四单向阀流至油缸的左腔。四个单向阀在油路中起整流的作用(见附图2)，保证油液流经比例方向阀的方向始终不变。

本发明的可调摆杆与人体康复关节的肢体相连接，与关节的转动同步转动。可调摆杆转动时通过皮带轮使编码器轴转动，编码器轴转动时发出的脉冲讯号通过电路接口进入计算机控制系统，得到瞬时的关节角位置和角速度；大皮带轮带动小皮带轮传动的增速作用可以提高测量的灵敏度和分辨力。压力变送器通过孔道与受挤压的液态油联通，测量油的压力，并以电流信号通过电路接口传入计算机，可以得到瞬时的关节肌力矩。关节角位置、相应于各角位置的角速度以及肌力矩，这三个参数对评价关节肌力康复状况具有重要的科学意义。

本发明所述的等速肌力康复运动的“等速”有如下特性：连续监测关节的角速度，将其与康复医生设定的速度作比较：

(1)如果关节的角速度高于设定速度，说明肌力矩高于阻力矩，可减小控制系统输入比例方向阀的电流，使阀口减小，液态油流动的阻力增加，关节运动抗力增大，使速度下降到设定值。

(2)如果关节的角速度低于设定速度，说明肌力矩低于阻力矩，可加大控制系统输入比例方向阀的电流，使阀口开大，液态油流动的阻力减小，关节运动抗力下降，使速度上升到设定值。

以上过程是连续的，保证受康复训练的关节在任何角位置都以要求的速度转动，达到“等速”的效果。本发明的力学本质是：时刻产生与关节肌力矩相等的阻抗力矩。

本发明的积极效果是：

(1)提供了一种等速肌力康复训练机械装置，它以调整液态油的流动阻力来产生与关节肌力矩相等的顺应性阻抗力矩，能产生的阻力矩范围大，不仅适合伤病人员肌力的恢复训练，而且也适合竞技运动员(如体操运动员、足球运动员)增强肌力的训练。

(2)结构简单，零部件不到30件，用单片机即可控制，如增加与微机的通讯，则可记录和显示训练的生理数据。

(3)制造成本低，全部制造费用(以2008年的物价计算)可控制在万元以内，易于推广应用。

【附图说明】

附图1为本发明齿条活塞油缸-比例方向阀式等速肌力康复运动装置的结构主视图；

附图2为附图1的A向视图；

附图3为附图1的左视图；

附图4是本发明齿条活塞油缸-比例方向阀式等速肌力康复运动装置的工作原理图。

附图1中的标号分别为：

1、旋纽，             2、可调摆杆，         3、齿轮轴，

4、光电编码器，       5、编码器连接体，     6、平头紧定螺钉，

7、小皮带轮，         8、皮带，             9、轮座，

10、尼龙套，          11、压力变送器，      12、比例方向阀，

13、比例电磁铁，      14、第一单向阀，      15、第四单向阀，

16、第二单向阀，      17、第三单向阀，      18、集成块，

19、油缸，            20、油缸端盖，        21、“O”型密封圈，

22、齿条活塞，        23、止转螺钉，        24、活塞密封圈，

25、第一自润滑轴承，  26、第二自润滑轴承，  27、螺孔，

28、大皮带轮，        29、锥头紧定螺钉。

【具体实施方式】

以下结合附图给出本发明“齿条活塞油缸-比例方向阀式等速肌力康复运动装置”的具体实施方式。

参见附图1。

一种齿条活塞油缸一比例方向阀式等速肌力康复运动装置，含有可调摆杆2、齿轮轴3、齿条活塞22、油缸19、油缸端盖20、四个外置单向阀14、15、16、17、比例方向阀12、大皮带轮28、小皮带轮7、轮座9、编码器连接体5、集成块18(即装置本体)，以及光电编码器4和压力变送器11。

可调摆杆2采用二节可伸缩套管的结构，可根据被训练者肢体的长度进行相应调节，调整后以旋纽1固定；可调摆杆2的一端设有用尼龙软带或皮带构成的搭扣，搭扣用来将可调摆杆2与被训练者的肢体固定，可调摆杆2的另一端设有方孔，方孔套在齿轮轴3的方头上，用以传递扭矩和转动；当被训练者的肢体摆动，关节转动时，可调摆杆2能随之转动。

可调摆杆2通过方孔与齿轮轴3的方头连接，所以，当可调摆杆转动时，齿轮轴3随之同步转动。齿轮轴3的中部设置有齿轮，齿轮的两边设置滑动轴颈，将齿轮与活塞22的齿条相啮合，在滑动轴颈上设置由聚四氟乙烯构成的第一自润滑轴承25和第二自润滑轴承26，第一自润滑轴承25和第二自润滑轴承26固定嵌设在集成块18内，用以支承齿轮轴3。齿条活塞22的下部开有长槽，止转螺钉23的圆头插在槽中，使齿条活塞22在移动时不能转动，保证齿轮与齿条的正确啮合。

在齿轮轴3的中段用锥头紧定螺钉29固定一个大皮带轮28，用以把齿轮轴3的转动通过“O”型截面的皮带8传递到小皮带轮7上。

小皮带轮7内镶有一个尼龙套10，小皮带轮7套在轮座9上，可灵活转动；轮座9通过螺钉固定在集成块18的侧平面上。在小皮带轮7外端与尼龙套10同轴的孔中插入光电编码器4的转轴，采用分辨力高于2000脉冲/转的光电编码器4转轴，转轴用平端紧定螺钉顶紧，使之与小皮带轮7同步转动。

检测角位移和角速度的光电编码器4以其定位凸台插入编码器连接体5的小端孔中进行定位，并以螺钉固定于编码器连接体5上；编码器连接体5大端设置大孔，大孔与小端的孔同轴，与轮座9相配，确保编码器连接体5与轮座9同轴，同时保证光电编码器4与小皮带轮7同轴，保证光电编码器4的转轴能灵活转动。

油缸19为一个钢套(见附图3)，镶在铸铁制成的集成块18下部，两端各有一个油缸端盖20，油缸端盖20内垫有“O”型密封圈21以保证封闭不漏油；齿条活塞22在油缸19内能灵活移动。在集成块18上设有第一单向阀14、第二单向阀16、第三单向阀17、第四单向阀15和比例方向阀12，附图3表示了比例方向阀12在集成块18背面呈水平安装的状态。单向阀和比例方向阀12可采用市场有供应的专业厂商生产的产品，用螺钉固定在集成块18的表面；比例电磁铁13是比例阀的组成部分，与比例方向阀12安装在一起。集成块18内设有加工形成的油液流动的通路，是整个装置的“血管”系统，将各个阀与油缸19连接起来。油液的流动阻力以一个二位四通比例方向阀12阀口的开度来调节，阀口的开度受输入比例电磁铁13电流大小的控制，比例方向阀12只用一个输入口和一个输出口，其余两个口封堵不用(见附图2)。

以上所述的所有元件和零件，除可调摆杆2外，均安装于集成块18的里面或表面。在集成块下部设有四个螺孔27，集成块通过螺孔27安装在任何形式的机座上，外加罩壳，成为不含计算机控制系统的比例方向阀式等速肌力康复运动装置。

参见附图4。

在集成块18上设有第一单向阀14、第二单向阀16、第三单向阀17、第四单向阀15和比例方向阀12，油液的流动阻力以一个二位四通比例方向阀12阀口的开度来调节，阀口的开度受输入比例电磁铁13电流大小的控制，比例方向阀12只用一个输入口和一个输出口，其余两个口封堵不用。以四个外置的标准型单向阀对油液的流动方向起整流作用，保证流经比例方向阀12阀口的油流方向不变。以压力变送器11检测受挤油液的压力，间接测定关节的肌力矩，受推挤的油液通过集成块18内的孔道(通路)进入压力变送器11。

在康复训练中，训练者的肢体绕关节做主动的伸展转动和曲屈转动，通过与肢体固定的可调摆杆2带动齿轮轴3转动，使与之相啮合的齿条活塞22作轴向移动；假如齿条活塞22向左移动使油缸19左腔容积减小(右腔容积则相应增大)，充盈左腔中的液态油被挤压，经第一单向阀14进入比例方向阀12，比例方向阀12阀口的通流面积受到流经比例电磁铁13电流的控制，而且不允许油液反向流动：当电流大时，比例方向阀12的开口大，油的流动阻力小；当电流小时，比例方向阀12的开口小，油的流动阻力大。由于比例方向阀12的性能好，其阀口的调节非常灵敏、迅速而精确；高压油流出阀口时，压力急骤降低，成为低压油，然后通过第二单向阀16流至油缸的右腔。当关节反向转动时，齿轮轴3带动齿条活塞22反方向移动，过程与上述类似，所不同的是油的流动方向相反，由油缸19的右腔向左腔挤压，经第三单向阀17流经比例方向阀12，然后通过第四单向阀15流至油缸19的左腔。单向阀整流回路的作用就是保证油液流经比例方向阀12的方向始终不变。