一種人體關節(jié)訓練機構的設計

田奕江 孫淵 金芏珺 崔哲偉 劉悅

摘要：神經系統受到損傷后需要做康復治療。本文對一種可以代替醫(yī)師對患者進行康復訓練的機械進行研究。并通過單片機來實現腿部運動控制和系統保護機制功能。

關鍵詞：神經系統損傷;康復訓練;系統保護機制;腿部運動控制;單片機

1 選題背景及其意義

目前， 康復機器人與智能輔助系統已成為國內外機器人領域的研究熱點.最具影響力的機器人國際學術會議包括ICRA（IEEE International Conference on Robotics and Automation） 、IROS （IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems） 等都設置專題對康復機器人與智能輔助系統進行研討;另外， IEEE機器人與自動化學會 （IEEE Robotics and Automation Society， RAS） 和醫(yī)學與生物工程學會（IEEE Engineering in Medicine and Biology Society， EMBS） 每兩年共同舉辦一次康復機器人國際會議 （IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics， ICORR） ， 康復機器人與智能輔助系統是其核心議題。

對于各種原因引起的中樞神經損傷導致的肢體殘障患者來說，其生存質量的高低取決于肢體功能恢復的程度。患者經過手術和藥物治療后，其運動功能的恢復主要依賴于各種康復運動療法[1]。如何運用現代先進康復治療技術，改善患者肢體運動功能，使患者在盡快擺脫病殘的折磨的同時，恢復其自主生活的能力，一直是康復工作者研究和實踐的重點。然而，上述的現狀表明，下肢癱患者人數眾多，康復師相對匱乏，傳統療法自動化水平低，效率差，進口康復設備價格又太高，所以研制人性化的智能康復機器人是一項重要而緊迫的任務，具有非常明顯的經濟效益和社會效益[2]。

2 研究內容

2.1 STM32程序控制基本工作原理

整個程序框架和內容分別包括兩部分。框架配合內容使整個裝置按照自己設想的方式運動。

程序內容一部分是各個固件的驅動。如圖2-1需要設計到控制的元器件有伺服電機的控制，行程開關的檢測，伺服電機扭矩的反饋，屏幕收到用戶的按鍵信息后將信息發(fā)送給STM32。

伺服電機采用位置模式控制，通過脈沖的數量控制和發(fā)布脈沖的頻率來決定電機運動的速度和位置。在STM32控制系統中程序內容另一部分則是按照設定的規(guī)則，通過調用這些驅動獲取相應的信息或者去調用相應的動作。

程序框架則包括局部運動和整體聯合運動兩種控制方式。

2.2 腿部張合運動

通過雙向絲桿將兩個固定腳部部位聯系在一起，當電機控制絲桿轉動時，兩只腳會受到雙向絲桿的牽引實現張合運動。

2.3 腿部伸展與收縮運動

腳部關節(jié)（101）搭載著滑塊（102）隨著紅色箭頭方向，沿著滑道（103）運動，帶著腳部（101）前后運動，牽引著腿部關節(jié)的彎曲與伸展。同時兩側設立行程開關，避免機構出現超出行程的運動。另外此直線運動采用伺服電機驅動，時刻檢測負載扭矩，以防機械運動到患者無法承擔的位置導致劇烈疼痛與損傷。

2.4 腿部抬升與放下運動

腳部關節(jié)（101）隨著升降滑塊（104）沿著圖二中的紅線方向搭載著滑塊（102）移動，同時隨著升降滑塊（104）的上下移動，腳部關節(jié)（101）會相對于升降滑塊（104）進行轉動，以配合腿的移動。

2.5 腿部組合動作

腿部伸展運動和腳部抬升運動可以看作是腳部關節(jié)（101）沿著X軸和Y軸的運動。以此為基準我們就可以通過控制XY兩個方向的運動來控制人體的腳步的運動，就可以模仿走路的姿態(tài)，以及特定的康復動作。

3預期成果及創(chuàng)新點

本裝置對四肢每個動作的運動軌跡、運動強度、康復次數以及停頓時間進行規(guī)劃，相較于機械式的執(zhí)行康復訓練可以使病人更快康復。針對不同患者設定私人康復方案，上位機的數據統計功能，通過和已經康復的患者的訓練次數進行對比，得出患者的康復進度。全機械自動輔助患者進行康復運動，減輕家屬負擔，同時避免了不正確的康復動作。四肢都將被機械控制完成指定的康復動作，控制手部彎曲、腿部彎曲和腰部扭轉運動、腿部張合、抬落，手臂的伸展等組合運動，減少由人力進行的輔助康復，節(jié)約資金，加快康復速度。

參考文獻：

[1]張通.中國腦卒中康復治療指南（2011完全版）[J].中國康復理論與實踐，2012，4（6）：55-76.

[2]杜寧.基于3-RRC并聯機構的上肢康復機器人設計[D].秦皇島：燕山大學機械電子學科碩士學位論文，2012：1-2.