上下肢简易康复器的研究

王 飞,陈 斌,陈义杰,申屠腾斌,王志刚

（宁波工程学院,浙江 宁波 315211）

1 作品简介

作品的长为995mm，宽为560mm，高为1662mm,质量为35kg。整个作品由上肢康复装置、下肢康复装置、座椅主体装置、电控装置四大部分组成。其上肢部分的工作原理是利用伺服电机驱动外骨骼式机械臂，从而带动轻度偏瘫患者（一侧肢体瘫痪，另一侧肢体正常）的上肢做康复训练；下肢部分的工作原理是利用减速电机驱动曲柄滑块机构，从而带动患者下肢在按摩器上做屈伸运动及足底按摩，有利于血液循环，防止肌肉萎缩。

工作过程：患者可以选择上肢康复、下肢康复、上下肢同时康复三种模式。如果需要下肢康复训练，患者可先将按摩器从底部拉出并机械锁止。然后再坐到座椅上，在自己或他人的帮助下利用魔术贴将上下肢固定在相对应的机械臂上。再打开启动开关运行机器。训练器的运动参数和运动模式可以通过调速开关和手机蓝牙进行相应的调节。此外，训练器在座椅另一侧装有急停开关，防止意外发生。

2 设计方案

（1）上肢康复装置。上肢康复装置，如图1所示。主要由握把1、魔术贴2、小臂拖3、肘部支架4、各关节控制杆及直流伺服电动机构成。其作用是完成对患者手臂的支托和各关节的运动训练，共具有四个自由度。肩关节控制杆7利用直流伺服电机驱动实现肩关节的左右伸或屈。肘关节控制杆5利用直流伺服电机驱动实现肩关节的上下伸或屈。肘关节控制杆5和后半部分肘部支架4配合使用，利用齿轮传动和直流伺服电机驱动实现腕关节的内翻或外翻。前半部分肘部支架4利用直流伺服电机驱动实现肘关节的上下伸或屈。肩关节控制杆7上设有身高长度调节部件，肘关节控制杆5与肩关节控制杆7之间设有上臂长度调节杆8。机械连杆系统还设有握把1与魔术贴2，用于固定手臂，其中握把的位置可根据人下臂的长度随意调节。此外，为了安全起见，整个上肢机构设有机械限位装置和电子行程开关。

（2）下肢康复装置。下肢康复装置分为支托固定机构和运动机构两部分。支托固定机构主要由魔术贴、足底按摩器、弹性联轴器、滚珠丝杆、直线导轨及直线轴承构成。运动机构主要由交流调速电机、多孔转盘、曲柄滑块机构及鱼眼轴承等构成。

支托固定机构：利用滚珠丝杆，将其回转运动转化为螺母座的直线运动，实现运动机构的整体微小伸缩运动，其中足底按摩器与直线导轨的安装余量下装有锁止功能的滑轮，保证其接地，增加其稳定性，此外魔术贴用于固定腿部，利用合页可将魔术贴及与之固定的连杆收回箱体。

运动机构：交流调速电机带动多孔转盘转动，利用曲柄滑块机构将多孔转盘的整周运动转换为水平往复运动，实现腿部的屈伸训练及足底按摩。其中，多孔转盘设有位置不同的孔用来改变腿部屈伸训练的行程。

（3）座椅主体装置。座椅主体装置主要由铝型材及其附件、木材、导轨滑块、万向轮、双动式棘轮机构、棘轮扳手等组成。其作用是安装其它装置，使患者乘坐得到康复训练。由铝型材搭建出的座椅主体框架具有轻便的特点，其靠背和手推把设计也极具人性化，方便乘坐和移动。棘轮扳手是用来调节机械臂高度以适合不同体型的患者使用。由于棘轮机构的结构简单、制造方便、运动可靠，且常用于各种设备中，以实现进给、转位或分度的功能[1]，故设计双动式棘轮机构作为机械臂的升降锁。木材为覆盖件，其椅面和椅背为实木，其余为复合木材。座椅主体在视觉效果上做到了精致美观，使患者身心愉悦，有利于早日康复。

（4）电控装置。电控装置主要由配电箱、24V直流开关电源、stm32F4单片机、伺服电机驱动器、CAN总线、开关等组成。其作用是利用单片机对伺服电机进行控制，控制原理如下：当按下启动电源后，单片机运行相应的程序，数据信号就通过CAN总线输入到各个伺服电机驱动器。通过配置相应的寄存器参数将其驱动模式设置为速度位置模式，再通过改变其频率控制电机的转速。然后，数据信号再输入到各个编码器，实现电机转角的控制。控制过程中，程序会执行中断操作，定时将各个电机的转速和转角信号反馈回来与实际值比较，以便于控制参数实时调整。

3 总结

（1）创新点。

1）设计理念创新，将上下肢康复训练同时实现，四自由度的机械臂可实现上肢四个关节的训练，体现出其功能多样性；2）外骨骼机械臂可根据患者体型进行调节，康复训练参数和模式也可根据患者喜好进行设置，体现出设计的人性化；3）注重安全性设计，使用配电箱、电线套管、电子行程开关、机械限位、急停开关等设计；4）该作品的电机驱动采用CAN总线方式通信，与传统的串口通信和I/O口控制完全不同，大大简化了硬件电路的连接；伺服电机的使用，使机械臂的控制更加精准；5）轻量化设计，在结构上做镂空设计，在材料上选择轻质（铝合金为主）材料。

（2）改进与展望。

1）随着智能化触屏技术的普及和声控技术的成熟发展，可以运用这两项技术在多功能简易康复训练器上，提高其智能化程度；2）研究开发趣味性康复模式，可针对康复训练内容模拟出多种趣味游戏，或者可研发为能直接连接手机端实现智能化，以便在保证康复训练的基础上，使患者的身心得以放松。

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