上下肢簡(jiǎn)易康復(fù)器的研究

王 飛,陳 斌,陳義杰,申屠騰斌,王志剛

（寧波工程學(xué)院,浙江 寧波 315211）

1 作品簡(jiǎn)介

作品的長(zhǎng)為995mm，寬為560mm，高為1662mm,質(zhì)量為35kg。整個(gè)作品由上肢康復(fù)裝置、下肢康復(fù)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(jī)驅(qū)動(dòng)外骨骼式機(jī)械臂，從而帶動(dòng)輕度偏癱患者（一側(cè)肢體癱瘓，另一側(cè)肢體正常）的上肢做康復(fù)訓(xùn)練；下肢部分的工作原理是利用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，從而帶動(dòng)患者下肢在按摩器上做屈伸運(yùn)動(dòng)及足底按摩，有利于血液循環(huán)，防止肌肉萎縮。

工作過(guò)程：患者可以選擇上肢康復(fù)、下肢康復(fù)、上下肢同時(shí)康復(fù)三種模式。如果需要下肢康復(fù)訓(xùn)練，患者可先將按摩器從底部拉出并機(jī)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(shù)貼將上下肢固定在相對(duì)應(yīng)的機(jī)械臂上。再打開(kāi)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)運(yùn)行機(jī)器。訓(xùn)練器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)模式可以通過(guò)調(diào)速開(kāi)關(guān)和手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。此外，訓(xùn)練器在座椅另一側(cè)裝有急停開(kāi)關(guān)，防止意外發(fā)生。

2 設(shè)計(jì)方案

（1）上肢康復(fù)裝置。上肢康復(fù)裝置，如圖1所示。主要由握把1、魔術(shù)貼2、小臂拖3、肘部支架4、各關(guān)節(jié)控制桿及直流伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。其作用是完成對(duì)患者手臂的支托和各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，共具有四個(gè)自由度。肩關(guān)節(jié)控制桿7利用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的左右伸或屈。肘關(guān)節(jié)控制桿5利用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的上下伸或屈。肘關(guān)節(jié)控制桿5和后半部分肘部支架4配合使用，利用齒輪傳動(dòng)和直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的內(nèi)翻或外翻。前半部分肘部支架4利用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的上下伸或屈。肩關(guān)節(jié)控制桿7上設(shè)有身高長(zhǎng)度調(diào)節(jié)部件，肘關(guān)節(jié)控制桿5與肩關(guān)節(jié)控制桿7之間設(shè)有上臂長(zhǎng)度調(diào)節(jié)桿8。機(jī)械連桿系統(tǒng)還設(shè)有握把1與魔術(shù)貼2，用于固定手臂，其中握把的位置可根據(jù)人下臂的長(zhǎng)度隨意調(diào)節(jié)。此外，為了安全起見(jiàn)，整個(gè)上肢機(jī)構(gòu)設(shè)有機(jī)械限位裝置和電子行程開(kāi)關(guān)。

（2）下肢康復(fù)裝置。下肢康復(fù)裝置分為支托固定機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分。支托固定機(jī)構(gòu)主要由魔術(shù)貼、足底按摩器、彈性聯(lián)軸器、滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌及直線軸承構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由交流調(diào)速電機(jī)、多孔轉(zhuǎn)盤(pán)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)及魚(yú)眼軸承等構(gòu)成。

支托固定機(jī)構(gòu)：利用滾珠絲桿，將其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母座的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體微小伸縮運(yùn)動(dòng)，其中足底按摩器與直線導(dǎo)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(wěn)定性，此外魔術(shù)貼用于固定腿部，利用合頁(yè)可將魔術(shù)貼及與之固定的連桿收回箱體。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：交流調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)多孔轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將多孔轉(zhuǎn)盤(pán)的整周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)腿部的屈伸訓(xùn)練及足底按摩。其中，多孔轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)有位置不同的孔用來(lái)改變腿部屈伸訓(xùn)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(dǎo)軌滑塊、萬(wàn)向輪、雙動(dòng)式棘輪機(jī)構(gòu)、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(fù)訓(xùn)練。由鋁型材搭建出的座椅主體框架具有輕便的特點(diǎn)，其靠背和手推把設(shè)計(jì)也極具人性化，方便乘坐和移動(dòng)。棘輪扳手是用來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)械臂高度以適合不同體型的患者使用。由于棘輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)動(dòng)可靠，且常用于各種設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給、轉(zhuǎn)位或分度的功能[1]，故設(shè)計(jì)雙動(dòng)式棘輪機(jī)構(gòu)作為機(jī)械臂的升降鎖。木材為覆蓋件，其椅面和椅背為實(shí)木，其余為復(fù)合木材。座椅主體在視覺(jué)效果上做到了精致美觀，使患者身心愉悅，有利于早日康復(fù)。

（4）電控裝置。電控裝置主要由配電箱、24V直流開(kāi)關(guān)電源、stm32F4單片機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、CAN總線、開(kāi)關(guān)等組成。其作用是利用單片機(jī)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，控制原理如下：當(dāng)按下啟動(dòng)電源后，單片機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的程序，數(shù)據(jù)信號(hào)就通過(guò)CAN總線輸入到各個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)配置相應(yīng)的寄存器參數(shù)將其驅(qū)動(dòng)模式設(shè)置為速度位置模式，再通過(guò)改變其頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。然后，數(shù)據(jù)信號(hào)再輸入到各個(gè)編碼器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)角的控制。控制過(guò)程中，程序會(huì)執(zhí)行中斷操作，定時(shí)將各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角信號(hào)反饋回來(lái)與實(shí)際值比較，以便于控制參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整。

3 總結(jié)

（1）創(chuàng)新點(diǎn)。

1）設(shè)計(jì)理念創(chuàng)新，將上下肢康復(fù)訓(xùn)練同時(shí)實(shí)現(xiàn)，四自由度的機(jī)械臂可實(shí)現(xiàn)上肢四個(gè)關(guān)節(jié)的訓(xùn)練，體現(xiàn)出其功能多樣性；2）外骨骼機(jī)械臂可根據(jù)患者體型進(jìn)行調(diào)節(jié)，康復(fù)訓(xùn)練參數(shù)和模式也可根據(jù)患者喜好進(jìn)行設(shè)置，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的人性化；3）注重安全性設(shè)計(jì)，使用配電箱、電線套管、電子行程開(kāi)關(guān)、機(jī)械限位、急停開(kāi)關(guān)等設(shè)計(jì)；4）該作品的電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用CAN總線方式通信，與傳統(tǒng)的串口通信和I/O口控制完全不同，大大簡(jiǎn)化了硬件電路的連接；伺服電機(jī)的使用，使機(jī)械臂的控制更加精準(zhǔn)；5）輕量化設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)上做鏤空設(shè)計(jì)，在材料上選擇輕質(zhì)（鋁合金為主）材料。

（2）改進(jìn)與展望。

1）隨著智能化觸屏技術(shù)的普及和聲控技術(shù)的成熟發(fā)展，可以運(yùn)用這兩項(xiàng)技術(shù)在多功能簡(jiǎn)易康復(fù)訓(xùn)練器上，提高其智能化程度；2）研究開(kāi)發(fā)趣味性康復(fù)模式，可針對(duì)康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容模擬出多種趣味游戲，或者可研發(fā)為能直接連接手機(jī)端實(shí)現(xiàn)智能化，以便在保證康復(fù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，使患者的身心得以放松。

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