被动式下肢康复训练机

■杭州英特外国语学校 戴玮廷 齐亚坤

有一次，我的好朋友踢足球时摔倒了，导致腿部骨折，不得不打石膏固定一段时间。

我陪他做康复训练时注意到了椭圆机。能否将其改进后用于康复训练，帮助下肢功能受损的人快速康复？

一、设计要求

被动式下肢康复训练机适用于术后可站立的人，能模拟正常人行走时的步态，最大承重可达80kg，占地面积应小于1m2。可设置训练次数与频率，训练时的噪声要小。

二、设计方案

被动式下肢康复训练机由单片机控制系统、步态控制结构、脚踏板姿态控制结构三部分组成。单片机可控制减速电机的速度，电机转速由测速传感器反馈给单片机，就可得到训练的速度与时间。

脚踏板前、后两侧装有压力传感器，可测量脚掌的前、后受力情况，收集运动时的数据，以便参考。

三、电子硬件部分

1.单片机

本产品利用Arduino UNO 控制。Arduino UNO 能通过收集传感器的反馈信息，更好地控制机器运转。微控制器可编写程序，并将其编译成二进制文件，烧录进微控制器。

选取Arduino UNO 的主要原因在于其小巧、高效，符合多点监控系统小、精、准的要求。另外，它可以同时对不同的传感器执行编程命令，并将其完美结合。

2.压力传感器

薄膜式压力传感器可靠性高、维护简单、安装方便，能精确地测量用户的脚部压力及脚在踏板上的压力分布。

3.型材

采用4040 欧标铝型材，它重量轻，防腐能力强，处理性能良好，易于组装及改变接口位置。

4.直线导轨

滑动摩擦导轨抗磨损，精度高，易拆卸，组装简单，它能支撑、引导运动部件按指定的方向做往复直线运动。

5.姿态传感器

我们装备的是MPU-6050 姿态传感器，它小而精，可在不同环境下测量脚踏板与水平面的夹角，且不占空间，稳定性极强。

四、整体结构

1.曲柄结构

曲柄结构通过电机转动传导至曲柄，可使脚踏板前后摆动。

2.直线滑轨结构

我们用斜置的直线滑轨来改变脚踏板角度，使普通的椭圆机产生正常人行走的步态角度。

3.脚踏板结构

脚踏板主要用于康复机的踩踏，同时改变足部摆角，使其产生贴近于正常人行走时的步态。

图1 整体结构图

五、程序设计

被动式下肢康复训练机的程序设计如图2 所示，在每一步电机动作后加入查停程序，增大了可控性，达到可随动、随停的效果，避免使用中由于未能及时停机而导致事故发生。

此外，训练机上的两个电位器可分别读取训练的次数与速度，电机上的编码器可让机器判断是否达到该值。开始运转后，主控根据编码器反馈的转速改变PWM 信号，使电机转速达到给定的要求，踏板运行完成指定的次数后，程序结束。

图2 程序流程图

图3 空载测试图

六、系统的测试和结果分析

1.空载测试

首先测试控制系统，随后进行空载测试。开启相应的运行模式，训练机能以每分钟60 次的步频运转，无异常反应，并能根据控制调节步频转换运行频率。

2.负载测试

选取5 名不同体重的测试者，其体重分别为45.9kg、51.3kg、63.1kg、75kg、81.4kg，以每分钟30 次的步频进行测试。

结果表明，每名测试者均能在训练机上正常行走，基本达到设计要求。

七、进一步改进

被动式下肢康复训练机结构稳定，可靠性高，便于维护，能有效帮助做了下肢手术的患者进行康复训练。

1.增加更多的调节结构，例如调节滑轨倾角的结构，让训练机能根据不同人的身高、体重及腿部状况，调节脚踏板角度。

2.增加传感器，例如在腿部加装肌肉电传感器来分析用户的康复状况。

3.结合传感器反馈的智能控制算法，达到全自动控制，根据身体信息优化康复训练计划。