四肢康復運動椅的設計與建模

于開迪　尹樂

摘 要：為滿足腦癱患者和老年人的康復鍛煉需要，通過對肢體運動特性分析，設計了一種能夠使殘疾人腰部、腿部、手部進行康復治療的運動椅。根據康復運動椅的功能要求和人機工程學原理，借助Solidworks軟件建立了各部分的三維模型并進行了總體結構裝配。康復運動椅功能多樣，適用于不同人群進行康復鍛煉。

關鍵詞：康復運動椅 設計 建模 肢體運動

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0043-03

作為下肢殘障者和老年人的代步工具，輪椅的種類較少、功能單一。普通輪椅只具有代步功能，使用者肢體得不到有效運動與鍛煉，對肢體康復鍛煉很不利。康復輪椅種類較多，但具有代步和康復兩用功能的輪椅種類較少。基于人機工程學，設計了一款代步/康復兩用輪椅，以滿足肢體殘障者和老年人使用輪椅進行康復鍛煉的需要。利用Solidworks軟件對康復輪椅進行三維建模和結構裝配，優化了設計參數，從而有效降低產品的開發成本、縮短開發周期。

1 整體設計分析

四肢康復運動椅的運動必須符合人體運動學的基本規律，以保證人體四肢正確的運動軌跡。坐在四肢康復運動椅上，人的腿部動作主要是類似走路時雙腿周期性的伸腿與收腿，使膝關節和兩側的肌肉得到活動和伸展，促進腿部行走功能的恢復。四肢康復運動椅通過傳動系統帶動升降臂運動，從而帶動患者進行蹲起運動，實現人體腰部和下肢骨骼的肌肉康復鍛煉。利用彈簧的伸縮設計的手指康復儀器，帶動患者手指有規律性地伸-握動作，實現人體手指肌肉的康復訓練。

2 結構設計

2.1 總體結構

康復輪椅采用四輪結構，后輪為主動輪，前輪為從動輪。整車由驅動機構、座椅機構、防護裝置、肢體運動機構和車架構成。康復輪椅各部分結構根據其功能要求和人機工程學原理進行設計，借助Solidworks軟件建立了各部分的三維模型并進行了總體結構裝配（如圖1）。

2.2 驅動機構

驅動機構主要包括后輪、齒輪傳動機構和鏈傳動機構。

2.2.1 齒輪傳動機構

為了實現人的站立和坐兩種姿勢的訓練，利用齒輪傳動的特性設計出四肢康復運動椅的升降臂結構。齒輪傳動機構采用蝸輪蝸桿傳動、錐齒輪與普通圓柱齒輪組合的設計方案，結構如圖2所示。

蝸輪與旋轉把手固聯，驅動旋轉把手后，由蝸輪蝸桿機構傳動到兩側錐齒輪組中，錐齒輪帶動繞線軸旋轉，從而帶動康復椅兩側升降桿上下運作，升降桿上部橫桿支撐人體左、右腋部，從而協助人體完成蹲起動作。支撐桿的往復運動距離可以通過調節行程插銷位置來控制從而滿足不同患者的身高要求。蝸輪蝸桿傳動產生噪音小，單級傳動比大，因此，驅動電動扶梯、電梯、移動人行道以及近年來防止公害的機器，都使用蝸輪蝸桿減速器。蝸桿軸和蝸輪軸的布置，有時可做到既能節約原動機和從動機的安裝面積又方便和合理。蝸桿導程角小于摩擦角時，還可以設計自鎖的蝸桿傳動裝置。利用此性質可保證使用者的安全問題。

2.2.2 鏈傳動機構

鏈傳動由主動軸、前鏈輪、鏈、后鏈輪和從動軸構成。通過鏈傳動將主動軸運動傳遞給后鏈輪，實現控制四肢康復運動椅前后運動。

2.3 旋轉座椅

為了使用者更加便捷地進入四肢康復運動椅進行康復治療，同時本著簡化機械結構的原則，四肢康復運動椅座椅機構由帶凸臺上板面、帶凹槽下板面、軸承組成。根據人機工程學原理，座椅結構尺寸應符合人體坐姿尺寸，主要包括座椅高、座椅寬、座椅深、扶手高、腳踏板到座椅面的高度等。根據GB 10000-88《中國成年人人體尺寸》給出的人體尺寸數據和舒適度的要求，座椅結構尺寸設計如下：座椅高主要與小腿長和足高尺寸相關，考慮使用者的舒適性，設計成可調節的，尺寸為340～450 mm；座椅寬是座面左右距離，主要與坐姿臀寬和臀寬尺寸相關，同時考慮衣服余量，尺寸為450 mm；座椅深應能使臀部得到完全支撐，與大腿長尺寸相關，考慮余量，尺寸為450 mm；扶手高主要與坐姿肘高尺寸相關，設計尺寸為285 mm。

2.4 防護裝置

防護裝置主要由兩側伸縮護欄、自鎖靠背、腳步護踝板構成。

如圖3伸縮護欄主要由兩根過渡配合的方管和V型彈片組成，將V型彈片套入細管中，并將細管插入粗管中，利用通孔位置不同，即可實現定位功能。自鎖靠背由靠背與卡棍組成，當靠背處于工作狀態時，卡棍在重力作用下自然伸出，下部抵在椅面，從而將靠背自鎖，保證患者安全。同時卡棍的長度可調，從而可調整靠背角度，讓使用者在使用過程中安全、舒適。

腳步護踝板由護踝板和踏板構成，如圖4。在模擬人走路動作時，將患者腳步抵靠在護踝板上，避免使用者剛開始使用康復椅，不習慣康復椅運動步伐規律，而撞擊在兩側支撐桿，造成損傷。

2.5 肢體運動機構

肢體運動機構結構如圖5所示，由踏板、凸輪、連桿構成。轉動輪椅把手，由鏈傳動帶動后輪轉動，帶動下肢連桿機構運動，從而帶動凸輪轉動，使腳踏板有規律地前后、起伏運動，從而模仿走路動作，實現肢體運動，并且可調節凸輪位置，更改運動幅度。

3 四肢康復運動椅創新點

（1）利用齒輪傳動機構的特性設計出符合產品要求的升降臂結構，實現人的站立和坐立兩種姿勢的調整，模仿蹲起動作。

（2）在踏板上裝有壓力傳感器，可感知患者腿部所承受的壓力，防止壓力過大導致腿部受力大而產生損傷。

（3）利用彈簧的特性設計出實現半自動康復手指功能的產品。

（4）采用旋轉座椅與伸縮護欄、自鎖靠背，使四肢康復運動椅安全可靠并且方便患者進入康復運動椅。

（5）采用可調節連桿-凸輪機構模擬人走路動作。

4 結語

康復運動椅的設計符合人體運動學基本規律。通過對機械系統運動建模裝配，各零部件之間不存在干涉情況，機械運動符合設計要求，實現了代步和康復鍛煉的雙重作用。

參考文獻

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