PL219672B1

PL219672B1 - Mechatronic rehabilitation device especially for rehabilitation of people with impaired motor function of the upper extremity

Info

Publication number: PL219672B1
Application number: PL389849A
Authority: PL
Inventors: Michał Bachorz; Grzegorz Nowak; Andrzej Michnik; Łukasz Juszyński; Jacek Brandt; Adam Gacek; Zbigniew Paszenda
Original assignee: Inst Techniki I Aparatury Medycznej Itam
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2015-06-30
Also published as: PL389849A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne przeznaczone do rehabilitacji osób z upośledzeniem funkcji ruchowej kończyny górnej służące do biernej i czynnej rehabilitacji dorosłych i dzieci. Mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne zwłaszcza do rehabilitacji osób z upośledzeniem funkcji ruchowej kończyny górnej, charakteryzuje się tym, że na podporze stałej usytuowany jest co najmniej jeden zespół stawu barkowego (a1), połączony z co najmniej jednym zespołem ruchu przedramienia (a2), połączony z co najmniej jednym zespołem ruchu nadgarstka (a3).The subject of the invention is a mechatronic rehabilitation device intended for the rehabilitation of persons with impaired upper limb mobility, used for passive and active rehabilitation of adults and children. The mechatronic rehabilitation device, particularly for the rehabilitation of persons with impaired upper limb mobility, is characterized in that at least one shoulder joint assembly (a1) is located on a fixed support, connected to at least one forearm movement assembly (a2), connected to at least one wrist movement assembly (a3).

Description

Przedmiotem wynalazku jest mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne przeznaczone do rehabilitacji osób z upośledzeniem funkcji ruchowej kończyny górnej służące do biernej i czynnej rehabilitacji dorosłych i dzieci.The subject of the invention is a mechatronic rehabilitation device intended for the rehabilitation of persons with impaired motor function of the upper limb, used for passive and active rehabilitation of adults and children.

Możliwość realizacji ruchu przestrzennego, o wielu stopniach swobody, jest bliższa wymaganiom fizjologicznym, aniżeli możliwości, którymi dysponuje sprzęt obecnie dostępny. Umożliwia on jedynie realizację ruchów, co najwyżej w dwóch płaszczyznach bez możliwości realizacji sprzężeń zwrotnych pomiędzy pacjentem a systemem sterującym.The ability to implement spatial movement with multiple degrees of freedom is closer to physiological requirements than the capabilities of currently available equipment. It only allows for movement in at most two planes, without the possibility of feedback between the patient and the control system.

W latach czterdziestych dwudziestego wieku Herman Kabat opracował zasady metody nazwanej prioproceptywnym torowaniem. Od roku 1946 w Instytucie Rehabilitacji Neuromięśniowej, Herman Kabat rozpoczął doskonalenie i weryfikację swoich wcześniejszych spostrzeżeń. Obecnie po licznych udoskonaleniach metoda znana jest jako Prioproceptywne Nerwowo-Mięśniowe Ułatwianie - Prioproceptive Neuromuscular Fasilitation (PNF). W metodzie tej stosuje się złożone sekwencje ruchowe określane mianem wzorców ruchowych. Ruch prowadzony jest jednocześnie we wszystkich trzech płaszczyznach: strzałkowej, czołowej i poprzecznej. W tych złożonych sekwencjach ruchowych akcentowany jest ruch rotacji.In the 1940s, Herman Kabat developed the principles of a method called proprioceptive facilitation. Beginning in 1946, at the Institute of Neuromuscular Rehabilitation, Herman Kabat began refining and verifying his earlier observations. Today, after numerous refinements, the method is known as Prioproceptive Neuromuscular Facilitation (PNF). This method utilizes complex movement sequences known as movement patterns. Movement is conducted simultaneously in all three planes: sagittal, frontal, and transverse. These complex movement sequences emphasize rotational movement.

Wielopłaszczyznowe ćwiczenia odwzorowują naturalne ruchy występujące w życiu codziennym i wykonywane są w pozycji siedzącej i leżącej. Ruch w metodyce PNF rozpoczyna się od części dystalnej przechodząc do części proksymalnej - ćwiczenie rozpoczyna segment dłoniowy, następnie włącza się segment przedramienia, a segment ramienia uruchamia się jako ostatni.Multi-plane exercises replicate natural movements found in everyday life and are performed in both sitting and lying positions. PNF movements begin distally and progress to proximal movements. The exercise begins with the hand segment, then the forearm segment is activated, and the upper arm segment is activated last.

Prace nad zrobotyzowanym urządzeniem przeznaczonym do rehabilitacji osób z dysfunkcją ruchu trwają na świecie już ponad 30 lat. Obecnie wiele krajów realizuje badania związane z zastąpieniem lub ograniczeniem do niezbędnego minimum pracy człowieka przez sztuczną jednostkę realizującą program rehabilitacji równie dobrze jak człowiek. W większości przypadków są to urządzenia które umożliwiają ćwiczenia jednego tylko stawu kończyny w jednej płaszczyźnie bez interakcji z osobą niepełnosprawną tzw. artromoty. Przykładami takich rozwiązań są między innymi ARM TENSOR (DYNATORQ) - urządzenie wykorzystujące opór elastyczny do treningu siły i propriocepcji stawu barkowego czy ARTROMOT E2 służący do terapii ciągłym ruchem biernym. Bardziej zaawansowanym systemem wykorzystywanym w rehabilitacji osób z upośledzeniem funkcji ruchowych jest urządzenie o nazwie Armeo Szwajcarskiej firmy Hocoma AG, bazujące na amerykańskim projekcie o nazwie T-WREX. Urządzenie to umożliwia wykonywanie między innymi aktywnych ruchów 3D, szeregu funkcjonalnych ćwiczeń np. ściskanie, chwytanie. Jedną z ważniejszych cech urządzenia jest tzw. biofeedback wspomagający wykonywanie ruchów i motywujący do dalszej terapii. Urządzenie to nie pozwala jednak na przeprowadzenie ćwiczeń czynnych z zadanym oporem a jego budowa wyklucza przeprowadzanie ćwiczeń przez osoby o całkowitej dysfunkcji ruchowej.Work on robotic devices for the rehabilitation of people with motor impairments has been ongoing worldwide for over 30 years. Currently, many countries are conducting research on replacing or minimizing human work with an artificial unit that performs rehabilitation programs as effectively as a human. In most cases, these devices enable exercises of a single joint in a single plane without interaction with the disabled person, known as arthromots. Examples of such solutions include the ARM TENSOR (DYNATORQ), a device that uses elastic resistance to train strength and proprioception of the shoulder joint, and the ARTROMOT E2, which provides continuous passive movement therapy. A more advanced system used in the rehabilitation of people with motor impairments is the Armeo device from the Swiss company Hocoma AG, based on the American project called T-WREX. This device allows for the performance of active 3D movements and a range of functional exercises, such as squeezing and grasping. One of the device's most important features is the so-called Biofeedback supports movement and motivates further therapy. However, this device does not allow for active exercises with a set resistance, and its design precludes the use of exercises by individuals with complete motor impairments.

Urządzenie według wynalazku umożliwia wybór sposobu zaordynowania zakresu ruchu poprzez:The device according to the invention allows for the selection of the method of ordering the range of motion by:

• wykorzystanie wzorców istniejących w pamięci systemu komputerowego, • wprowadzenie do systemu trajektorii ruchu zadanej przez terapeutę, wykonującego wzorcowe ćwiczenie z chorym i następne jej automatyczne odtwarzanie.• using patterns existing in the computer system memory, • introducing into the system a movement trajectory set by a therapist performing a model exercise with the patient and then automatically reproducing it.

Urządzenie według wynalazku umożliwia realizację ruchów biernych, czynnych i czynnych z oporem kończyny lewej lub prawej. System komputerowy urządzenia umożliwia:The device, according to the invention, enables the implementation of passive, active, and active movements with resistance of the left or right limb. The device's computer system enables:

• wybór wzorca kinematycznego ruchu, • zadanie dynamiki ruchu, • zadanie wielkości oporu dla ruchów czynnych, • indywidualizację wzorca ruchu według potrzeb chorego, • zadawanie i kontrolowanie dopuszczalnych obciążeń rehabilitowanej kończyny, • ustalanie czasu trwania (ilości powtórzeń) ćwiczenia, • automatyczną regulację zakresu wykonywanego ruchu, • zadawanie czasu przerwy po osiągnięciu granicznych limitów zakresu ruchu, • archiwizację danych poszczególnych sesji terapeutycznych.• selecting the kinematic movement pattern, • assigning the movement dynamics, • assigning the amount of resistance for active movements, • individualizing the movement pattern according to the patient’s needs, • assigning and controlling the permissible loads on the rehabilitated limb, • setting the duration (number of repetitions) of the exercise, • automatic regulation of the range of movement performed, • assigning a break time after reaching the limit limits of the range of movement, • archiving data from individual therapeutic sessions.

Zasadniczą nowością proponowanego urządzenia jest możliwość realizacji w sposób zautomatyzowany kontrolowanego, złożonego ruchu o wielu stopniach swobody zadawanego według optymalnego dla danego pacjenta wzorca. Dla wielu chorych będących w wieku produkcyjnym istniejące ograniczenia funkcji kończyny górnej są przeszkodą w wykonywaniu pracy i są przyczyną absencjiThe fundamental novelty of the proposed device is the ability to automatically implement controlled, complex movements with multiple degrees of freedom, set according to a pattern optimal for a given patient. For many working-age patients, existing limitations in upper limb function are an obstacle to performing their work and cause absenteeism.

PL 219 672 B1 chorobowej. Urządzenie według wynalazku pomaga odzyskać funkcje ruchowe wywołane między innymi chorobami, do których zaliczamy:PL 219 672 B1 disease. The device according to the invention helps to regain motor functions caused by diseases such as:

• miażdżycę, cukrzycę i inne choroby prowadzące do uszkodzenia ściany naczyń krwionośnych, a w rezultacie do uszkodzenia układu nerwowego (zakrzepy, zatory i krwotoki w obrębie ośrodkowego układu nerwowego prowadzące do niedowładów, • rosnącą liczbę urazów kończyn górnych (złamania szyjki kości ramieniowej, złamania w obrębie głowy kości ramieniowej, zwichnięcia stawu ramienno-łopatkowego, złamania kości przedramienia, złamania i zwichnięcia w obrębie stawu łokciowego i nadgarstka), • urazy czaszkowo-mózgowe przebiegające z powstaniem niedowładów, • urazy kręgosłupa szyjnego z uszkodzeniem struktur układu nerwowego, • chorobę zwyrodnieniową stawów, • schorzenia reumatoidalne - głównie reumatoidalne zapalenie stawów, • choroby układu nerwowego (choroba Parkinsona, stwardnienie rozsiane, rdzeniowy zanik mięśni, choroby zapalne układu nerwowego), • dystrofie mięśniowe, • schorzenia kręgosłupa w odcinku szyjnym, • stany po leczeniu ortopedycznym (stabilizacje, endoprotezy stawów), • zespoły algodystroficzne w obrębie kończyny górnej.• atherosclerosis, diabetes and other diseases leading to damage to the walls of blood vessels and, as a result, to damage to the nervous system (thrombi, embolisms and hemorrhages in the central nervous system leading to paresis), • a growing number of upper limb injuries (fractures of the neck of the humerus, fractures in the area of the head of the humerus, dislocations of the glenohumeral joint, fractures of the forearm bones, fractures and dislocations in the area of the elbow and wrist), • craniocerebral injuries leading to paresis, • injuries of the cervical spine with damage to the structures of the nervous system, • degenerative joint disease, • rheumatoid diseases - mainly rheumatoid arthritis, • diseases of the nervous system (Parkinson's disease, multiple sclerosis, spinal muscular atrophy, inflammatory diseases of the nervous system), • muscular dystrophies, • diseases of the cervical spine, • conditions after orthopedic treatment (stabilizations, joint endoprostheses), • algodystrophic syndromes in the upper limb.

Niesprawna kończyna górna zwłaszcza po stronie dominującej ogranicza również możliwość realizowania się w życiu osobistym i rodzinnym.A dysfunctional upper limb, especially on the dominant side, also limits the ability to fulfill one's personal and family life.

Leczenie wymienionych schorzeń i stanów jest długotrwałe, kosztowne i angażuje wiele osób, włączając w to personel medyczny oraz członków rodzin. Obecnie najbardziej rozpowszechnione jest leczenie farmakologiczne w postaci iniekcji, czopków, tabletek i maści. Leczenie to często prowadzi jedynie do zmniejszenia dolegliwości bólowych i tylko częściowego przywrócenia sprawności. Ponadto efekty takiego postępowania nie są trwałe. Nie sposób wyobrazić sobie współczesnego postępowania leczniczego bez rehabilitacji i fizjoterapii, których zadaniem jest przywrócenie pełnej i trwałej sprawności funkcjonalnej. W tym miejscu przyznać należy, że czasami niezbędnym okazuje się postępowanie operacyjne - ortopedyczne, które jednak dla osiągnięcia pełnego powodzenia wymaga efektu pooperacyjnej rehabilitacji. Wykonywanie ćwiczeń leczniczych wymaga ogromnego zaangażowania fizjoterapeuty, jest bardzo czasochłonne.Treating these conditions and illnesses is lengthy, expensive, and involves many people, including medical personnel and family members. Currently, the most common form of pharmacological treatment involves injections, suppositories, tablets, and ointments. This treatment often leads only to pain relief and only partial restoration of function. Furthermore, the effects of such treatment are not lasting. It is impossible to imagine modern medical treatment without rehabilitation and physiotherapy, which aim to restore full and lasting functional capacity. It should be acknowledged that orthopedic surgery is sometimes necessary, but this requires post-operative rehabilitation for full success. Performing therapeutic exercises requires a significant commitment from the physiotherapist and is very time-consuming.

Aby uzyskać oczekiwany efekt ćwiczenia muszą być wielokrotnie powtarzane w partnerskim układzie terapeuta - pacjent, a więc indywidualnie. Ćwiczenia grupowe korzystniejsze pod względem organizacyjnym i ekonomicznym, niestety nie są równowartościowe i nie prowadzą do osiągania oczekiwanych efektów terapii.To achieve the desired effect, exercises must be repeated many times in a collaborative relationship between the therapist and the patient, i.e., individually. Group exercises, while more advantageous from an organizational and economic perspective, are unfortunately not equivalent and do not lead to the desired therapeutic outcomes.

Ciągłe powtarzanie leczniczych sekwencji ruchowych powadzi do znużenia terapeuty, co może skutkować mniej dokładnym wykonaniem ćwiczenia ewentualnie skróceniem czasu trwania ćwiczeń. W tym aspekcie przewaga precyzyjnie programowanej szyny ćwiczeniowej wydaje się być bezdyskusyjna. Praca fizjoterapeuty w układzie jeden na jeden generuje większe koszty, ponieważ jeden pacjent zajmuje cały czas pracy terapeuty. Próbą rozwiązania problemu kosztów jest np. UGUL - Uniwersalny Gabinet Usprawniania Leczniczego - jeden terapeuta może obsłużyć kilka stanowisk ćwiczeniowych w tym samym czasie. Jednak ruch i dawkowany w UGUL-u jest ruchem jedynie jednopłaszczyznowym z nie zmieniającym się oporem, ponadto występuje brak kontroli poprawności wykonania ćwiczenia pod względem zaplanowanego zakresu ruchu.Constant repetition of therapeutic movement sequences leads to therapist fatigue, which can result in less accurate exercise execution or shorter exercise duration. In this respect, the advantage of a precisely programmed exercise rail seems undisputed. Working one-on-one with a physiotherapist generates higher costs, as one patient takes up the therapist's entire time. One attempt to address this cost problem is the Universal Rehabilitation Unit (UGUL) – a single therapist can manage several exercise stations simultaneously. However, the movement and dosage in UGUL is only single-plane with constant resistance, and there is no control over the correct execution of the exercise within the planned range of motion.

Mechatroniczne urządzenie do rehabilitacji kończyny górnej według wynalazku jest skonstruowane tak, aby umożliwić wykonanie ruchu jednopłaszczyznowego, a także wielopłaszczyznowego ruchu złożonego. W ramach badań nad urządzeniem wyznaczano wartości kątowe ruchu w poszczególnych parach kinematycznych (stawach kończyny górnej):The mechatronic upper limb rehabilitation device, according to the invention, is designed to enable single-plane movement as well as complex multiplane movement. As part of the device's research, angular values of movement were determined in individual kinematic pairs (upper limb joints):

• staw barkowy: • shoulder joint: o about przeprosthyperextension 60° 60° o about zgięcie bend 180° 180° o about odwiedzenie visiting 90° 90° o about przywiedzenie adduction 0° 0° o about rotacja wewnętrzna internal rotation 98° 98° o about rotacja zewnętrzna external rotation 90° 90° • • staw łokciowy: elbow joint: o about wyprost extend 0° 0°

PL 219 672 B1PL 219 672 B1

o about zgięcie bend 150° 150° o about supinacja supination 80° 80° o about pronacja pronation 90° 90° • • staw nadgarstkowy:wrist joint: o about zgięcie dłoniowe palmar flexion 70° 70° o about zgięcie grzbietowe dorsiflexion 80° 80° o about zgięcie promieniowe radial bend 20° 20° o about zgięcie łokciowe elbow bend 40° 40°

Urządzenie według wynalazku umożliwia regulację długości członów w zakresach:The device according to the invention enables the adjustment of the length of the members in the following ranges:

• • ramię: arm: o about obwód circuit 260 * 440 mm, 260 * 440 mm, o about długość length 390 mm, 390 mm, • • przedramię:forearm: o about obwód circuit 200 * 300 mm, 200 * 300 mm, o about długość length 250 * 330 mm. 250 * 330 mm. • • dłoń: hand: o about szerokość width 70 * 120 mm, 70 * 120 mm, o about długość length 180 + 230 mm. 180 + 230 mm. Zespoły mechatronicznego urządzenia rehabilitacyjnego można stosować w ćwiczeniach poje-The mechatronic rehabilitation device units can be used in single-arm exercises. dynczych par kinematycznych, jako osobne elementy bądź jako całe urządzenie z unieruchomionymidynamic kinematic pairs, as separate elements or as a complete device with fixed parami kinematycznymi. W budowie kinematic pairs. Under construction urządzenia zastosowano bezszczotkowe silniki prądu stałegoThe device uses brushless DC motors

z komutacją elektroniczną jednak możliwe jest zastosowanie silników prądu stałego, napędów hydraulicznych czy też napędów pneumatycznych.with electronic commutation, however, it is possible to use DC motors, hydraulic drives or pneumatic drives.

W trakcie realizacji urządzenia opracowano system sterowania robotem który pozwala na przeprowadzenie sesji rehabilitacyjnej w dwóch fazach. Pierwszą fazą sesji jest wprowadzenie trajektorii rehabilitacyjnej z udziałem rehabilitanta. Drugą fazą jest wielokrotne odtwarzanie, pod nadzorem rehabilitanta, wprowadzonej wcześniej trajektorii w pętli przez ustalony czas. Zapamiętywanie nowej trajektorii ruchu (faza pierwsza) przed rozpoczęciem właściwego treningu (faza druga) pozwala zoptymalizować trening właściwy, ponieważ zakres ruchu treningu za każdym razem uwzględnia uzyskaną w trakcie treningu poprawę wytrenowania kończyny osoby rehabilitowanej. Takie rozwiązanie pozwala zwiększyć efektywność treningu poprzez naturalne dostosowanie się robota do powiększających się, w kolejnych dniach rehabilitacji, zakresów ruchu. Realizacja pierwszej fazy sesji treningowej wymaga umocowania ręki rehabilitowanej osoby w urządzeniu, a następnie na ujęciu umocowanej ręki osoby rehabilitowanej przez rehabilitanta i wykonanie nią ruchu wzorcowego. Możliwe jest także wykonanie ruchu rehabilitacyjnego bezpośrednio przez rehabilitanta, którego kończyna umocowana jest w urządzeniu. W czasie wykonywania tego ruchu sterowniki węzłów pracują w trybie śledzenia ruchu, czyli urządzenie podąża za przemieszczającą się kończyną w reakcji na czujniki nacisku. W tym samym czasie program sterujący zapamiętuje kolejne pozycje łańcucha kinematycznego i zapisuje je w pamięci komputera. Wykonanie fazy drugiej polega na odtwarzaniu wcześniej zapamiętanych sekwencji pozycji napędów urządzenia w pętli, już bez aktywnego udziału rehabilitanta. W tej fazie system stara się wymusić na osobie rehabilitowanej uprzednio zapamiętany ruch, badając przy tym czy nie zostały przekroczone ustalone uprzednio limity sił działających na kończynę osoby rehabilitowanej.During the development of the device, a robot control system was developed that allows for a two-phase rehabilitation session. The first phase of the session involves introducing a rehabilitation trajectory with the participation of a rehabilitator. The second phase involves repeatedly replaying the previously entered trajectory in a loop for a predetermined period of time, under the rehabilitator's supervision. Memorizing the new movement trajectory (phase one) before beginning the actual training (phase two) allows for optimal training, as the range of motion of the training session always takes into account the improvement in the patient's limb fitness achieved during the training. This solution increases training effectiveness by allowing the robot to naturally adapt to the increasing range of motion over the subsequent days of rehabilitation. The first phase of the training session requires the patient's arm to be attached to the device, and then the rehabilitator to grasp the attached arm and perform a reference movement with it. It is also possible for the rehabilitator, whose limb is attached to the device, to perform the rehabilitation movement directly. During this movement, the node controllers operate in motion tracking mode, meaning the device follows the moving limb in response to pressure sensors. At the same time, the control program memorizes the subsequent positions of the kinematic chain and stores them in the computer's memory. The second phase involves replaying the previously memorized sequences of the device's drive positions in a loop, without the active involvement of the rehabilitator. In this phase, the system attempts to force the rehabilitated person to perform the previously memorized movement, while also checking whether the previously established force limits acting on the rehabilitated person's limb have been exceeded.

Mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne zwłaszcza do rehabilitacji osób z upośledzeniem funkcji ruchowej kończyny górnej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że do podpory stałej w górnej jej części zamocowany jest zespół stawu barkowego składający się z oprawy zamocowanej do zespołu napędowego stanowiącego silnik z przekładnią zębatą który połączony jest z ramieniem w taki sposób, że ramię wykonuje ruch obrotowy w płaszczyźnie prostopadłej do osi zespołu napędowego, z kolei to samo ramię połączone jest z drugim zespołem napędowym stanowiącym silnik z przekładnią zębatą na którego końcu znajduje się ramię, do którego zamocowany jest zespół ruchu przedramienia. Zespół ruchu przedramienia składa się z zespołu rotacji ramienia stanowiący silnik z przekładnią zębatą i połączonego z nim zespołu zginania łokcia stanowiącego silnik z przekładnią zębatą przy czym zespół rotacji ramienia składa się z bloku śruby stanowiącej śrubę pociągową z nakrętką i profilem, która łączy zespół ruchu przedramienia z ramieniem zespołu stawu barkowego i który to blok śruby zamocowany jest do napędu rotacji ramienia składający się od wewnątrz z opaski czujników i od zewnątrz z przekładni zębatej połączonej z zespołem napędowym stanowiący silnikA mechatronic rehabilitation device, especially for the rehabilitation of persons with impaired motor function of the upper limb, according to the invention is characterized in that a shoulder joint assembly is attached to the fixed support in its upper part, consisting of a housing attached to a drive unit constituting a motor with a gear transmission, which is connected to an arm in such a way that the arm performs a rotary movement in a plane perpendicular to the axis of the drive unit, while the same arm is connected to a second drive unit constituting a motor with a gear transmission, at the end of which there is an arm to which the forearm movement unit is attached. The forearm movement assembly comprises an arm rotation assembly being a motor with a gear train and an elbow flexion assembly connected thereto being a motor with a gear train, wherein the arm rotation assembly comprises a screw block being a lead screw with a nut and a profile that connects the forearm movement assembly to the arm of the shoulder joint assembly, and wherein the screw block is attached to an arm rotation drive consisting of a sensor band on the inside and a gear train on the outside connected to the drive assembly being the motor

PL 219 672 B1 osadzonymi na wsporniku, do którego zamocowany jest poprzez uchwyt zespół zginania łokcia składający się z belki regulującej długość przedramienia zamocowanej do zespołu napędowego i do której zamocowany jest zespół ruchu nadgarstka. Zespół ruchu nadgarstka składa się z zespołu czujników ruchu przedramienia, zespołu dłoniowego stanowiącego silnik z przekładnią zębatą zginania grzbietowo-dłoniowego i łokciowo-promieniowego nadgarstka, zespołu rękojeści stanowiącego czujniki siły i zespołu rotacji nadgarstka stanowiącego silnik z przekładnią zębatą.PL 219 672 B1 mounted on a support to which an elbow flexion assembly is attached via a handle, consisting of a forearm length adjustment beam attached to a drive unit and to which a wrist motion assembly is attached. The wrist motion assembly consists of a forearm motion sensor assembly, a hand assembly constituting a motor with a gear train for dorsal-palmar and ulnar-radial wrist flexion, a handle assembly constituting force sensors, and a wrist rotation assembly constituting a motor with a gear train.

Zespoły napędowe zespołu stawu barkowego stanowiące silniki z przekładniami zębatymi zawierają czujniki pomiaru kąta obrotu.The drive units of the shoulder joint assembly, which are motors with gears, contain rotation angle measurement sensors.

Zespół zginania łokcia wyposażony w zespół napędowy stanowiący silnik z przekładnią zębatą zawiera czujnik położenia kątowego.The elbow flexion assembly equipped with a drive unit comprising a gear motor includes an angular position sensor.

Podpora stała zawiera system pozycjonowania ramienia urządzenia.The fixed support contains the device arm positioning system.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne w widoku od przodu, fig. 2 przedstawia urządzenie ze schematem ruchliwości poszczególnych członów, fig. 3 przedstawia zespół ruchu stawu barkowego, fig. 4 przedstawia zespół ruchu przedramienia, fig. 5 przedstawia zespół ruchu nadgarstka.The subject of the invention in an example embodiment is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows the mechatronic rehabilitation device in a front view, Fig. 2 shows the device with a diagram of the mobility of individual links, Fig. 3 shows the shoulder joint movement unit, Fig. 4 shows the forearm movement unit, Fig. 5 shows the wrist movement unit.

Urządzenie według wynalazku składa się z zespołu ruchu nadgarstka a3, zespołu ruchu przedramienia a2, zespołu ruchu stawu barkowego a1 oraz podpory z systemem regulacji położenia w optymalnym, w stosunku do budowy ciała pacjenta, miejscu w przestrzeni. Każdy zespół składa się z podzespołów odpowiedzialnych za poszczególne ruchy. Do zbudowania urządzenia wybrano postać konstrukcyjną która zapewnia odwzorowanie kątów względnych pomiędzy poszczególnymi segmentami kończyny górnej. W takim rozwiązaniu, układ napędowy steruje kątami: zginania, odwodzenia i rotacji ramienia względem tułowia, zginania i rotacji przedramienia względem ramienia oraz zginania grzbietowo-dłoniowego i łokciowo-promieniowego w stawie nadgarstkowym względem przedramienia. Długość każdego członu można zmieniać w zależności od długości kończyny pacjenta.The device according to the invention consists of a wrist movement assembly (a3), a forearm movement assembly (a2), a shoulder joint movement assembly (a1), and a support with a system for adjusting its position in the optimal spatial location for the patient's body structure. Each assembly consists of components responsible for individual movements. A design was chosen to construct the device that ensures the reproduction of relative angles between individual segments of the upper limb. In this design, the drive system controls the angles of flexion, abduction, and rotation of the arm relative to the torso, flexion and rotation of the forearm relative to the upper arm, and dorsal-palmar and ulnar-radial flexion of the wrist joint relative to the forearm. The length of each link can be adjusted depending on the length of the patient's limb.

Zespół stawu barkowego a1 składa się z oprawy a1-1 zamocowanej do zespołu napędowego a1-2 stanowiącego silnik z przekładnią zębatą który połączony jest z ramieniem a1-3 w taki sposób, że ramię a1-3 wykonuje ruch obrotowy w płaszczyźnie prostopadłej do osi zespołu napędowego a1-2, z kolei ramię a1-3 połączone jest z drugim zespołem napędowym a1-4 stanowiącym silnik z przekładnią zębatą na którego końcu znajduje się ramię a1-5, do którego zamocowany jest zespół ruchu przedramienia a2 składający się z zespołu rotacji ramienia a2-1 stanowiący silnik z przekładnią zębatą i połączonego z nim zespołu zginania łokcia a2-2 stanowiącego silnik z przekładnią zębatą przy czym zespół rotacji ramienia a2-1 składa się z bloku śruby a2-1-1 stanowiącej śrubę pociągową z nakrętką i profilem, która łączy zespół ruchu przedramienia a2 z ramieniem a1-3 zespołu stawu barkowego a1 i który to blok śruby a2-1-1 zamocowany jest do napędu rotacji ramienia a2-1-2 składającego się od wewnątrz z opaski czujników a2-1-2a i od zewnątrz z przekładni zębatej a2-1-2b połączonej z zespołem napędowym a2-1-2c stanowiącym silnik osadzonymi na wsporniku a2-1-2d, do którego zamocowany jest poprzez uchwyt a2-2-1 zespół zginania łokcia a2-2 składający się z belki regulującej długość przedramienia a2-2-2 zamocowanej do zespołu napędowego a2-2-3 i do której zamocowany jest zespół ruchu nadgarstka a3 składający się z zespołu czujników ruchu przedramienia e9, zespołu dłoniowego stanowiącego silnik z przekładnią zębatą zginania grzbietowo-dłoniowego i łokciowo-promieniowego nadgarstka e10, zespołu rękojeści e11 stanowiącego czujniki siły i zespołu rotacji nadgarstka e12 stanowiącego silnik z przekładnią zębatą. Zespoły napędowe a1-2 i a1-4 stanowiące silniki z przekładniami zębatymi zawierają czujniki pomiaru kąta obrotu a1-6. Zespół zginania łokcia a2-2 wyposażony w zespół napędowy a2-2-3 stanowiący silnik z przekładnią zębatą zawiera czujnik położenia kątowego a2-24.The shoulder joint assembly a1 consists of a housing a1-1 attached to a drive assembly a1-2, which is a motor with a gear transmission, which is connected to the arm a1-3 in such a way that the arm a1-3 performs a rotary movement in a plane perpendicular to the axis of the drive assembly a1-2, while the arm a1-3 is connected to the second drive assembly a1-4, which is a motor with a gear transmission, at the end of which there is an arm a1-5, to which a forearm movement assembly a2 is attached, consisting of an arm rotation assembly a2-1, which is a motor with a gear transmission, and an elbow bending assembly a2-2, which is a motor with a gear transmission, connected thereto, wherein the arm rotation assembly a2-1 consists of a screw block a2-1-1, which is a lead screw with a nut and a profile, which connects the forearm movement assembly a2 with the arm a1-3 of the shoulder joint assembly a1, and wherein the screw block a2-1-1 is attached to the rotation drive an arm a2-1-2 consisting on the inside of a sensor band a2-1-2a and on the outside of a toothed gear a2-1-2b connected to a drive unit a2-1-2c constituting a motor mounted on a support a2-1-2d, to which is attached through a handle a2-2-1 an elbow flexion unit a2-2 consisting of a forearm length adjusting beam a2-2-2 attached to the drive unit a2-2-3 and to which is attached a wrist movement unit a3 consisting of a forearm movement sensor unit e9, a hand unit constituting a motor with a toothed gear for dorsal-palmar and ulnar-radial wrist flexion e10, a handle unit e11 constituting force sensors, and a wrist rotation unit e12 constituting a motor with a toothed gear. Drive units a1-2 and a1-4 constituting motors with toothed gears contain rotation angle measurement sensors a1-6. The elbow bending assembly a2-2 equipped with a drive assembly a2-2-3 constituting a motor with a gear transmission includes an angular position sensor a2-24.

Claims

1. Mechatronic rehabilitation device, especially for the rehabilitation of people with impaired mobility of the upper limb, characterized in that the fixed support (1) in its upper part is fitted with a shoulder joint assembly (a1) consisting of a frame (a1-1) attached to the assembly drive unit (a1-2) consisting of a gear motor which is connected to the arm (a1-3) in such a way that the arm (a1-3) rotates in a plane perpendicular to the axis of the drive unit (a1-2), in turn the arm (a1-3) is connected to the second drive unit (a1-4), which is a gear motor, at the end of which is the arm (a1-5), to which is attached the forearm movement assembly (a2) consisting of the arm rotation assembly (a2-1) constituting

The geared motor and the elbow bending unit (a2-2) associated therewith, constituting the gear motor, the arm rotation unit (a2-1) consisting of a screw block (a2-1-1) being the lead screw with a nut and profile that connects the forearm movement assembly (a2) to the arm (a1-3) of the shoulder joint assembly (a1), and which screw block (a2-1-2) is attached to the arm rotation drive (a2-1-2 ) consisting of the sensor band (a2-1-2a) on the inside and a toothed gear (a2-1-2b) connected to the drive unit (a2-1-2c), which is the motor, mounted on a support (a2-1-2d ), to which is attached by a handle (a2-2-1) the elbow bend assembly (a2-2) consisting of a forearm length adjustment beam (a2-2-2) attached to the drive unit (a2-2-3) and to to which the wrist movement assembly (a3) is attached, consisting of the forearm motion sensor assembly (e9), the hand assembly constituting a motor with gear at the dorsoparticular and ulnarradial flexion of the wrist (e10), the handle assembly (e11) for force sensors, and the wrist rotation assembly (e12) for the geared motor.

2. The mechatronic rehabilitation device according to claim 1, The gear according to claim 1, characterized in that the drive units (a1-2) and (a1-4) constituting the geared motors include rotation angle measuring sensors (a1-6).

3. The mechatronic rehabilitation device according to claim 1, The apparatus of claim 1, characterized in that the elbow bending assembly (a2-2) provided with the drive unit (a2-2-3) comprising a geared motor includes an angular position sensor (a2-2-4).

4. The mechatronic rehabilitation device according to claim 1, A device according to any of the preceding claims, characterized in that the driving means consist of an electric motor connected to a gear and / or an encoder and / or a brake.

5. The mechatronic rehabilitation device according to claim 1. Device according to claim 1, characterized in that the fixed support comprises a device arm positioning system.