腳部康復儀的改進設計

虞欣粵 王 濤 張海林 楚善騰 徐秦領

（衢州學院 機械工程學院，浙江 衢州324000）

0 引言

鑒于康復群體的個體差異，腳部康復儀功能應滿足康復者對關節活動度的要求，同時需要兼顧性價比，使其能被大眾青睞。如今醫療器械研發界對康復儀器的研究與發展越來越重視[1]。在本機設計中，運動機構的行程大小需具有一定的可調性并且操作簡便，同時還應該滿足各項安全性條件。通過查閱文獻了解并對比了國內外各類康復機的優缺點之后，根據患者下肢的運動規律，提出了直線雙滑軌腳部康復模式的康復儀。

1 設計方案

針對現國內外腳部康復儀的優缺點分析，以及人體下肢動關節長度和運動范圍，本設計需滿足以下要求：

儀器使用上應操作簡便，控制簡單，既保證整機結構的可靠性又能使大多數老年人自由操作該設備。

該款康復儀的運動特征能最大限度貼合人體腳部運動特征，對于不同姿態以及不同訓練要求，腿部訓練機構可進行角度調節。

1.1 滑軌設計

在整個運動機構中，滑軌有導向和支撐作用，而且滑塊與運動塊相連，使得運動塊可以沿滑塊的運動方向運動，在其他輔助老年人活動的儀器中也采用了滑軌設計[2]。由于在設計中對導軌的剛度以及阻尼有要求，所以需保證連接件之間的縫隙盡可能的小而且摩擦力也要足夠小，經過綜合考慮，選取滾珠型導軌，如圖1所示。其具有如下優點：

圖1 滾珠型導軌圖

（1）裝配簡單，替換操作方便。

（2）定位性能好，在工作狀態下損耗更小。

（3）在正常運動狀態下，無打滑現象發生。

1.2 傳動系統

齒輪齒條系統中，齒條齒輪發生嚙合，齒條相對齒輪中心會發生直線運動。機構的傳動速度高，壽命長，而且其精度可以隨齒面的加工精度和安裝精度而進一步提高，并且有學者在文獻中研究齒輪齒條機構適合低速重載運動[3]。腳部康復儀在使用時沖擊較小，齒條齒輪傳動相對而言更適合本款腳部康復儀的要求。

設計中選取的小齒輪數據齒輪如圖2所示。

圖2 齒輪零件圖

齒輪：齒數Z=25，模數m=1，壓力角 α=20°，齒輪寬度B=10 mm齒輪材料采用45號鋼并調質處理，硬度為265 HBS。

齒條：齒條長L=350 mm，模數m=1，壓力角α=20°，齒條寬度B=12 mm材料45正火處理，硬度為200 HBS。

弗吉尼亞·伍爾夫：回憶往事的時候我會有很強的滿足感，這份滿足感并不是源于往事的美好，而是因為我只有在回憶往事的時候，才能真實深切地感受到我活在當下。

因本設計中的齒輪齒條是在開放環境下工作的，其磨損將會使齒輪齒條在產生疲勞之前發生破壞，但康復機的使用多是在較為干凈的場合中使用，齒輪齒條的壽命會比機器的整體壽命更長。

1.3 電機選擇

由于直流電機速度控制精準以及原理簡單操作方便，且康復儀的速度變化不大，所以選用直流電機作為動力源，其計算如下：正常成年男性的體重為70 kg，故取正常成年男性的單邊下肢重量m1=30 kg，移動部件的總重量 （包括人體下肢和步進電機）m3=40 kg。齒輪的分度圓直徑，半徑r=12.5 mm，g=9.8 N/kg。

如圖4是腳部康復機的抬升角度處于極限位置（45°）時，對齒輪的受力分析。此時踏板的受力系數為a=0.5。

由圖可知單個步進電機上的牽引力：

圖3 腳部康復機（角度最大）側面圖

圖4 受力分析圖

公式中：F為牽引力（N）；m3為移動部件的總質量（kg）；g為重力加速度（m/s2）。 由公式（1）計算可得F=70 N。

公式中：T為步進電機的轉矩 （N·m）；F為牽引力（N）；r為齒輪的半徑（mm）。 由公式（2）計算可得T=0.87 N·m。

在直流電機完全滿足運動的前提下，選擇利用蝸輪蝸桿減速的A5882-45電機，詳細參數如表1所示。有著蝸輪蝸桿減速裝置，可以實現反向自鎖，減速增距，在緊急停機的情況下可以保證滑動板的自鎖，保護患者[4]。

表1 A5882-45直流電機產品參數表

1.4 運動構件

康復機的底座框架如圖5所示，在底架上安裝有一個支撐桿定位卡槽，設有多個調節檔位。調節方便且重量較輕。

斜度調整部分裝配圖如圖6所示，該框架中兩條導軌用螺釘螺母與長型材與長型材連接，齒條固定在襯有尼龍墊高塊的角鋁上，角鋁則固定于長型材上。兩條長型材的中間用連接件安裝一組支撐架端部安裝塊。斜度調整部分裝配與底座框架之間以兩個鉸鏈相連。

滑板行走部分的裝配模型如圖7所示，四個滑塊與滑動板相連接，滑板之上安裝踏板架與電機。在電機的軸上安裝齒輪，齒輪在與斜度調整部分的齒條嚙合后能夠提供滑板帶動病人下肢隨滑動板運動的動力。由于病人下肢在收縮狀態和伸展狀態下人腳相對于踏板的角度會有一定的變化，所以設計了踏板中間固定，踏板的連接部分設計有一個與踏板安裝架腰子槽相對的安裝孔，由此實現腳踏板在有限程度內地自我調節功能。

2 整機結構

本文設計的直線雙滑軌腳部康復儀裝置整體如圖8所示。該裝置主要由裝置主架、驅動模塊組成。裝置主架包括腳部踏板、腳部支架、抬升機構、步進電機支架、直線雙滑軌；驅動模塊包括步進電機、蝸輪蝸桿、齒輪、齒條，當裝置穿配好以后，患者的腳放置在踏板上時，步進電機開始運轉并帶動腳踏板上的齒輪齒條進行反復運動，從而實現了腳部鍛煉的目的。

圖5 底座框架模型裝配圖

圖6 斜度調整部分模型裝配圖

圖7 滑動板行走部分模型裝配圖

圖8 腳部康復儀整體效果圖

3 結論

本款腳部康復儀裝置采用抬升機構的理念，使步進電機帶動腳踏板在齒條上做反復抬升運動來實現腳部反復活動，而且雙滑軌設計使裝置傾斜角度可調，步進電機帶動式腳步康復儀不僅裝置簡單，操作便捷，裝置自重輕占地少，安全度高，操作性強，有效提高用戶使用舒適度，適合家用。