四肢康复运动椅的设计与建模

于开迪　尹乐

摘 要：为满足脑瘫患者和老年人的康复锻炼需要，通过对肢体运动特性分析，设计了一种能够使残疾人腰部、腿部、手部进行康复治疗的运动椅。根据康复运动椅的功能要求和人机工程学原理，借助Solidworks软件建立了各部分的三维模型并进行了总体结构装配。康复运动椅功能多样，适用于不同人群进行康复锻炼。

关键词：康复运动椅 设计 建模 肢体运动

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（b）-0043-03

作为下肢残障者和老年人的代步工具，轮椅的种类较少、功能单一。普通轮椅只具有代步功能，使用者肢体得不到有效运动与锻炼，对肢体康复锻炼很不利。康复轮椅种类较多，但具有代步和康复两用功能的轮椅种类较少。基于人机工程学，设计了一款代步/康复两用轮椅，以满足肢体残障者和老年人使用轮椅进行康复锻炼的需要。利用Solidworks软件对康复轮椅进行三维建模和结构装配，优化了设计参数，从而有效降低产品的开发成本、缩短开发周期。

1 整体设计分析

四肢康复运动椅的运动必须符合人体运动学的基本规律，以保证人体四肢正确的运动轨迹。坐在四肢康复运动椅上，人的腿部动作主要是类似走路时双腿周期性的伸腿与收腿，使膝关节和两侧的肌肉得到活动和伸展，促进腿部行走功能的恢复。四肢康复运动椅通过传动系统带动升降臂运动，从而带动患者进行蹲起运动，实现人体腰部和下肢骨骼的肌肉康复锻炼。利用弹簧的伸缩设计的手指康复仪器，带动患者手指有规律性地伸-握动作，实现人体手指肌肉的康复训练。

2 结构设计

2.1 总体结构

康复轮椅采用四轮结构，后轮为主动轮，前轮为从动轮。整车由驱动机构、座椅机构、防护装置、肢体运动机构和车架构成。康复轮椅各部分结构根据其功能要求和人机工程学原理进行设计，借助Solidworks软件建立了各部分的三维模型并进行了总体结构装配（如图1）。

2.2 驱动机构

驱动机构主要包括后轮、齿轮传动机构和链传动机构。

2.2.1 齿轮传动机构

为了实现人的站立和坐两种姿势的训练，利用齿轮传动的特性设计出四肢康复运动椅的升降臂结构。齿轮传动机构采用蜗轮蜗杆传动、锥齿轮与普通圆柱齿轮组合的设计方案，结构如图2所示。

蜗轮与旋转把手固联，驱动旋转把手后，由蜗轮蜗杆机构传动到两侧锥齿轮组中，锥齿轮带动绕线轴旋转，从而带动康复椅两侧升降杆上下运作，升降杆上部横杆支撑人体左、右腋部，从而协助人体完成蹲起动作。支撑杆的往复运动距离可以通过调节行程插销位置来控制从而满足不同患者的身高要求。蜗轮蜗杆传动产生噪音小，单级传动比大，因此，驱动电动扶梯、电梯、移动人行道以及近年来防止公害的机器，都使用蜗轮蜗杆减速器。蜗杆轴和蜗轮轴的布置，有时可做到既能节约原动机和从动机的安装面积又方便和合理。蜗杆导程角小于摩擦角时，还可以设计自锁的蜗杆传动装置。利用此性质可保证使用者的安全问题。

2.2.2 链传动机构

链传动由主动轴、前链轮、链、后链轮和从动轴构成。通过链传动将主动轴运动传递给后链轮，实现控制四肢康复运动椅前后运动。

2.3 旋转座椅

为了使用者更加便捷地进入四肢康复运动椅进行康复治疗，同时本着简化机械结构的原则，四肢康复运动椅座椅机构由带凸台上板面、带凹槽下板面、轴承组成。根据人机工程学原理，座椅结构尺寸应符合人体坐姿尺寸，主要包括座椅高、座椅宽、座椅深、扶手高、脚踏板到座椅面的高度等。根据GB 10000-88《中国成年人人体尺寸》给出的人体尺寸数据和舒适度的要求，座椅结构尺寸设计如下：座椅高主要与小腿长和足高尺寸相关，考虑使用者的舒适性，设计成可调节的，尺寸为340～450 mm；座椅宽是座面左右距离，主要与坐姿臀宽和臀宽尺寸相关，同时考虑衣服余量，尺寸为450 mm；座椅深应能使臀部得到完全支撑，与大腿长尺寸相关，考虑余量，尺寸为450 mm；扶手高主要与坐姿肘高尺寸相关，设计尺寸为285 mm。

2.4 防护装置

防护装置主要由两侧伸缩护栏、自锁靠背、脚步护踝板构成。

如图3伸缩护栏主要由两根过渡配合的方管和V型弹片组成，将V型弹片套入细管中，并将细管插入粗管中，利用通孔位置不同，即可实现定位功能。自锁靠背由靠背与卡棍组成，当靠背处于工作状态时，卡棍在重力作用下自然伸出，下部抵在椅面，从而将靠背自锁，保证患者安全。同时卡棍的长度可调，从而可调整靠背角度，让使用者在使用过程中安全、舒适。

脚步护踝板由护踝板和踏板构成，如图4。在模拟人走路动作时，将患者脚步抵靠在护踝板上，避免使用者刚开始使用康复椅，不习惯康复椅运动步伐规律，而撞击在两侧支撑杆，造成损伤。

2.5 肢体运动机构

肢体运动机构结构如图5所示，由踏板、凸轮、连杆构成。转动轮椅把手，由链传动带动后轮转动，带动下肢连杆机构运动，从而带动凸轮转动，使脚踏板有规律地前后、起伏运动，从而模仿走路动作，实现肢体运动，并且可调节凸轮位置，更改运动幅度。

3 四肢康复运动椅创新点

（1）利用齿轮传动机构的特性设计出符合产品要求的升降臂结构，实现人的站立和坐立两种姿势的调整，模仿蹲起动作。

（2）在踏板上装有压力传感器，可感知患者腿部所承受的压力，防止压力过大导致腿部受力大而产生损伤。

（3）利用弹簧的特性设计出实现半自动康复手指功能的产品。

（4）采用旋转座椅与伸缩护栏、自锁靠背，使四肢康复运动椅安全可靠并且方便患者进入康复运动椅。

（5）采用可调节连杆-凸轮机构模拟人走路动作。

4 结语

康复运动椅的设计符合人体运动学基本规律。通过对机械系统运动建模装配，各零部件之间不存在干涉情况，机械运动符合设计要求，实现了代步和康复锻炼的双重作用。

参考文献

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