上下肢簡易康復器的研究

王 飛,陳 斌,陳義杰,申屠騰斌,王志剛

（寧波工程學院,浙江 寧波 315211）

1 作品簡介

作品的長為995mm，寬為560mm，高為1662mm,質量為35kg。整個作品由上肢康復裝置、下肢康復裝置、座椅主體裝置、電控裝置四大部分組成。其上肢部分的工作原理是利用伺服電機驅動外骨骼式機械臂，從而帶動輕度偏癱患者（一側肢體癱瘓，另一側肢體正常）的上肢做康復訓練；下肢部分的工作原理是利用減速電機驅動曲柄滑塊機構，從而帶動患者下肢在按摩器上做屈伸運動及足底按摩，有利于血液循環，防止肌肉萎縮。

工作過程：患者可以選擇上肢康復、下肢康復、上下肢同時康復三種模式。如果需要下肢康復訓練，患者可先將按摩器從底部拉出并機械鎖止。然后再坐到座椅上，在自己或他人的幫助下利用魔術貼將上下肢固定在相對應的機械臂上。再打開啟動開關運行機器。訓練器的運動參數和運動模式可以通過調速開關和手機藍牙進行相應的調節。此外，訓練器在座椅另一側裝有急停開關，防止意外發生。

2 設計方案

（1）上肢康復裝置。上肢康復裝置，如圖1所示。主要由握把1、魔術貼2、小臂拖3、肘部支架4、各關節控制桿及直流伺服電動機構成。其作用是完成對患者手臂的支托和各關節的運動訓練，共具有四個自由度。肩關節控制桿7利用直流伺服電機驅動實現肩關節的左右伸或屈。肘關節控制桿5利用直流伺服電機驅動實現肩關節的上下伸或屈。肘關節控制桿5和后半部分肘部支架4配合使用，利用齒輪傳動和直流伺服電機驅動實現腕關節的內翻或外翻。前半部分肘部支架4利用直流伺服電機驅動實現肘關節的上下伸或屈。肩關節控制桿7上設有身高長度調節部件，肘關節控制桿5與肩關節控制桿7之間設有上臂長度調節桿8。機械連桿系統還設有握把1與魔術貼2，用于固定手臂，其中握把的位置可根據人下臂的長度隨意調節。此外，為了安全起見，整個上肢機構設有機械限位裝置和電子行程開關。

（2）下肢康復裝置。下肢康復裝置分為支托固定機構和運動機構兩部分。支托固定機構主要由魔術貼、足底按摩器、彈性聯軸器、滾珠絲桿、直線導軌及直線軸承構成。運動機構主要由交流調速電機、多孔轉盤、曲柄滑塊機構及魚眼軸承等構成。

支托固定機構：利用滾珠絲桿，將其回轉運動轉化為螺母座的直線運動，實現運動機構的整體微小伸縮運動，其中足底按摩器與直線導軌的安裝余量下裝有鎖止功能的滑輪，保證其接地，增加其穩定性，此外魔術貼用于固定腿部，利用合頁可將魔術貼及與之固定的連桿收回箱體。

運動機構：交流調速電機帶動多孔轉盤轉動，利用曲柄滑塊機構將多孔轉盤的整周運動轉換為水平往復運動，實現腿部的屈伸訓練及足底按摩。其中，多孔轉盤設有位置不同的孔用來改變腿部屈伸訓練的行程。

（3）座椅主體裝置。座椅主體裝置主要由鋁型材及其附件、木材、導軌滑塊、萬向輪、雙動式棘輪機構、棘輪扳手等組成。其作用是安裝其它裝置，使患者乘坐得到康復訓練。由鋁型材搭建出的座椅主體框架具有輕便的特點，其靠背和手推把設計也極具人性化，方便乘坐和移動。棘輪扳手是用來調節機械臂高度以適合不同體型的患者使用。由于棘輪機構的結構簡單、制造方便、運動可靠，且常用于各種設備中，以實現進給、轉位或分度的功能[1]，故設計雙動式棘輪機構作為機械臂的升降鎖。木材為覆蓋件，其椅面和椅背為實木，其余為復合木材。座椅主體在視覺效果上做到了精致美觀，使患者身心愉悅，有利于早日康復。

（4）電控裝置。電控裝置主要由配電箱、24V直流開關電源、stm32F4單片機、伺服電機驅動器、CAN總線、開關等組成。其作用是利用單片機對伺服電機進行控制，控制原理如下：當按下啟動電源后，單片機運行相應的程序，數據信號就通過CAN總線輸入到各個伺服電機驅動器。通過配置相應的寄存器參數將其驅動模式設置為速度位置模式，再通過改變其頻率控制電機的轉速。然后，數據信號再輸入到各個編碼器，實現電機轉角的控制。控制過程中，程序會執行中斷操作，定時將各個電機的轉速和轉角信號反饋回來與實際值比較，以便于控制參數實時調整。

3 總結

（1）創新點。

1）設計理念創新，將上下肢康復訓練同時實現，四自由度的機械臂可實現上肢四個關節的訓練，體現出其功能多樣性；2）外骨骼機械臂可根據患者體型進行調節，康復訓練參數和模式也可根據患者喜好進行設置，體現出設計的人性化；3）注重安全性設計，使用配電箱、電線套管、電子行程開關、機械限位、急停開關等設計；4）該作品的電機驅動采用CAN總線方式通信，與傳統的串口通信和I/O口控制完全不同，大大簡化了硬件電路的連接；伺服電機的使用，使機械臂的控制更加精準；5）輕量化設計，在結構上做鏤空設計，在材料上選擇輕質（鋁合金為主）材料。

（2）改進與展望。

1）隨著智能化觸屏技術的普及和聲控技術的成熟發展，可以運用這兩項技術在多功能簡易康復訓練器上，提高其智能化程度；2）研究開發趣味性康復模式，可針對康復訓練內容模擬出多種趣味游戲，或者可研發為能直接連接手機端實現智能化，以便在保證康復訓練的基礎上，使患者的身心得以放松。

[1]孫桓等.機械原理.8版[M].北京:高等教育出版社,2013:261-262.