老龄人群上肢康复训练仪设计.pdf

2023 年 32 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application老龄人群上肢康复训练仪设计吕宗龙1，王垚垚1，2，马苏常1，2*（1.无锡职业技术学院 机械技术学院，江苏 无锡 214121；2.江苏省智能产线技术及装备工程研究中心，江苏 无锡 214121）偏瘫一般指一侧上下肢的运动障碍，是急性脑血管的一个常见症状，其中上肢偏瘫状况最为常见1。数据显示，中国每年发生脑卒中超过 500 万例。偏瘫患者中大约有 36%的患者在脑卒中 6 个月后遗留上肢功能障碍，然而老龄患者占绝大部分，临床多给予患者进行上肢训练2。迄今为止，许多康复训练都是通过治疗师徒手操作完成的，因此存在一些问题：随着上肢功能障碍患者不断增多，治疗师的需求量增大。然而，治疗师长时间的重复动作容易肢体疲劳，导致治疗动作不一致，会影响治疗效果。因此训练量难以量化，康复周期增长3。对于上肢功能障碍的患者，若尽早进入功能性的康复训练，会达到更好的效果。随着康复训练仪器运用于治疗中，能减少治疗师肢体疲劳的状况。也可以代替治疗师进行精准、重复、高效的训练动作4。但是，康复治疗仪器还存在着一些不足之处，如运动的柔性和安全性不足，缺少力反馈装置等。因此，针对上肢各关节独立运动的康复治疗设备的研究引起了各国研究者们的重点关注5。目前，上肢康复训练主要是患者前往医院使用医院的康复仪器，需要治疗师协助治疗，同时还需配备相应的医生调整训练方案，成本较高。这种康复治疗方案虽针对性强，患者可获得更好的功能性治疗，但其高昂的费用不适宜普通家庭，也无法在社区使用。本设计分析了目前市场上现有的康复训练设备，引入人体测量学（属于人机工程学范畴）对上肢数据进行分析6，设计一种面对家庭和社区的经济型肘关节屈伸康复训练仪器。摘要：基于对老龄人群上肢偏瘫患者的研究现状及阶段性康复训练对上肢康复的重要性，设计一种经济型、智能化，面对家庭、社区的老龄人群上肢康复训练仪。该设备以步进电机为动力源，以蜗轮蜗杆减速器、同步带轮和传动带轮为传动系统，并为设备提供动力传递，基于 Kinect 传感器的控制系统，代替治疗师的康复训练，实现对患者训练方案的优化，极大程度上解决治疗师需求量大的问题。肘关节屈伸机构的设计实现对肘关节训练过程中角度、前臂后臂长度参数的精确控制，最终设计出符合老龄人群的家庭型老龄人群上肢康复训练仪，并通过三维仿真设计验证其干涉情况及性能。关键词：人机工程学；上肢；康复训练仪；经济型；智能化中图分类号院TH122文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤32-0038-04Abstract:Based on the research status of elderly patients with upper limb hemiplegia and the importance of phasedrehabilitation training to upper limb rehabilitation,an economical and smart upper limb rehabilitation training instrument for elderlypeople facing family and community is designed.The equipment uses stepper motor as power source,worm gear reducer,synchronous pulley and transmission pulley as transmission system,and provides power transmission for the equipment.The controlsystem based on Kinect sensor replaces the rehabilitation training of therapists to optimize the training program of patients andsolve the gap of great demand of therapists to a great extent.The design of the elbow flexion and extension mechanism realizesthe accurate control of the angle and the length parameters of the forearm and back arm in the process of elbow joint training,and finally designs a family-type upper limb rehabilitation training instrument for the elderly,and its interference and performanceare verified by three-dimensional simulation design.Keywords:ergonomics;upper limb;rehabilitation training instrument;economical;intelligent基金项目：江苏省高等学校优秀科技创新团队（江苏教科函 2019 7 号）；无锡职业技术学院大学生创新创业训练计划项目（202210848041Y）*通信作者：马苏常（1968-），男，博士，教授。研究方向为数字化设计与制造技术。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.01038-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期1老龄人群上肢康复训练仪理论基础为了体现“以人为本”的设计理念，康复训练仪引入人机工程学概念，将老龄人群上肢康复训练仪置于“人-机-环境”系统中，同时结合康复心理学，可由患者自主灵活地选择人为或自我康复训练7，使得设计能更加符合老龄人群使用。老龄人群上肢康复训练仪是以人机工程学为理论依据，对人体的生理结构、骨骼特点、肢体尺寸和心理特征进行研究，人和机器配合适当，机器的整体尺寸应当与人体的外形尺寸相适应，手肘屈伸运动的角度范围设定在人体肘关节运动范围以内，屈伸机构的受力情况应当符合人体力学，使患者在康复训练过程中从心理上真正接受这种新型的康复疗法，且能灵活地操作。2老龄人群上肢康复训练仪方案设计2.1康复训练仪设计约束条件上肢康复训练仪是直接作用在人体上的医疗器材，所以在设计上要符合以下几个约束条件要求。淤安全性能要求：安全问题是上肢康复仪器设计过程中的最主要问题之一，其康复原理是在康复者的患肢上加上一个机器臂，通过机械臂的运动辅助患者完成康复训练动作。在设计过程中除了要实现康复动作的完成，还要考虑到其安全性，防止患者在进行训练的过程中患肢受到“二次损伤”。于运动功能设计要求：康复训练仪最基本的设计要求是根据人体上肢的生理结构和人体力学，实现手肘部的自由度运动，根据人体上肢的生理结构可知肘关节处有一个自由度，所以设计时应有针对性地对此自由度进行功能定位和设计。盂机构设计要求：机构设计是手肘康复系统的基础，执行机构的设计应尽量简洁，且灵活性高，尽可能实现机构关键尺寸的可调性来适应更多的患者。同时要根据康复运动的特性（非快速运动、变载荷、带缓冲等）选择合适的传动系统和驱动系统。榆辅助要求：作为一款面向特殊用户使用的仪器，在人机交互时必须考虑到用户的使用习惯、思维方式、心理特征等方面，要求产品要有一定的形态和舒适度，使患者在使用过程中更加方便和舒适。2.2老龄人群上肢康复训练仪方案设计流程康复训练仪是基于人机工程设计，从设计理论到装配制造，其设计流程如图 1 所示。设备主要分系统包括：驱动系统、传动系统、执行系统、控制系统，由上述分系统构成了老龄人群上肢康复训练仪，如图 2 所示。该设备主要设计思路：以步进电机、蜗轮蜗杆减速器、同步带轮、Kinect 传感器及 Ar原duino 单片机等，实现标准化上肢康复训练、云端智能化处理康复数据并辅助患者进行康复训练等功能。图 1方案设计流程图 2上肢康复训练仪三维结构3老龄人群上肢康复训练仪详细设计3.1驱动系统设计目前，在所有设计和工程的应用中，驱动方式主要有 3 大类：电动式、气动式和液压式，该设备中所选用的是电动式。电机驱动对工作环境要求不高，且操作方便易于实现，所以是驱动方式选择的最佳方案。该设备选择步进电机，是一类可以将脉冲信号转化为角位移的开环控制的电机，属于直流电机的一种类型，内部有多匝线圈，同时给多个线圈接上电，电机便转过一定的角度，依次给每个线圈接电，电动机即会连续转动。其转速和转向可以通过脉冲电流的频率和顺序来实现，甚至可以实现机构在任何位置的控制。依据训练仪的运动特点和患者的不同需求，训练仪对电机也有角度和定位的要求，所以在满足力矩的情况下，该设备选用步进电机作为驱动元件。联轴器主体蜗轮蜗杆减速器电机需求分析总体方案（概念设计）详细设计制造、装配骨骼特点康复心理康复医学人机工程人体测量人机交互39-2023 年 32 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application3.2传动系统设计老龄人群上肢康复训练仪属于外骨骼式康复训练设备，本设备通过与患者肢体的多部位接触，给患者的肢体施加外力和力矩，在康复训练的过程中保持一定的动作和姿势，通过动作的重复性和连续性达到患者的训练目的。利用可以控制正反转的步进电机作为驱动源头，通过联轴器连到蜗轮蜗杆减速器上（蜗轮蜗杆减速器可以实现减速、放大扭矩和自锁）8，蜗轮蜗杆减速机输出轴上连上同步带轮，与上方的同步带轮连接（同步带轮传动比恒定，效率高且没有相对滑动）。其传动系统结构如图 3 所示。图 3传动系统结构3.3执行系统设计该设备的执行系统为肘关节屈伸机构，采用的是外骨骼结构，在驱动过程中，由于力矩较大，可能承受整个小臂的重量会因为刚性不足，而发生意外事情，所以该设备考虑到了安全方面的因素，所以采用四杆机构9，如图 4 所示。图 4屈伸机构运动原理在四杆机构中，小臂悬臂与驱动相连，四杆机构的运动带动整个屈伸机构的运动，增强了系统的安全性和可靠性。四杆机构运用于肘关节的运动，机构运动只对小臂做功，因此传递的力矩小。通过同步带传动带动齿轮啮合，实现手肘部的屈伸运动。肘关节运动机构如图5 所示，可以适当地在传动齿轮的外部加上防护设备，从而保证患者在训练过程中的安全性。图 5肘关节运动机构3.4控制系统设计该设备控制系统如图 6 所示，Kinect 传感器分析患者进行每一项活动时的受力情况和活动范围，通过身体跟踪 SDK 获取患者康复训练时的速度、频率、重心等动态参数的变化，获取的各项参数值通过无线收发模块（nRF24L01）和实时时钟模块（DS32331）接收信号发送到 Arduino 单片机，Arduino 单片机处理后的相关数据可以通过 WIFI 模块上传数据到 OneNET 云平台，患者家属和医护人员可实时监测患者康复训练状态。医护人员可在 OneNET 云平台查看患者各阶段康复数据，并由S7-300 控制模块接收，将康复训练数据运用于整个训练仪的工作。图 6控制系统设计同时 Kinect 传感器还具有语音 API 播报功能，将患者上肢康复训练方案和训练方法通过播报方式辅助患者进行康复训练，解决治疗师市场缺口大的问题，极大程度上减少了家庭的经济负担。无线发送模块连接到指定的路由器与 WIFI 模块连接，进而实现与OneNET云平台云端服务器相连接，患者根据云端传来的指令进行训练；云端服务器通过 TCP 协议向控制模块发送训练方案，并且接收患者的运动轨迹，存储资料提供给客驱动齿轮连架杆运动方向小臂托盘连架杆机架大臂托盘驱动WIFI 模块OneNET 平台S7-300训练仪患者上肢康复训练参数Kinect 传感器无线接收模块实时时钟模块Arduino 单片机40-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期图 9抬背机构仿真分析参考文献院1 曹志民.一种具有快速折叠功能的护理床J.吉林化工学院学报，2022（7）：39.2 祖悦，王艳秋.老龄化冲击下的延迟退休政策探析 J.吉林化工学院学报，2021，38（8）：70-72.3 国家市场监督管理总局.医用电气设备第 2 部分：医院电动床安全专用要求：YY 05712013S.北京：中国标准出版社，2013.4 曹莹瑜，游家诚，张艳琦，等.运动性损伤康复机器人多功能床体设计J.北京石油化工学院学报.2019（4）：27.5 段金池，刘佳琪，付昱祯，等.一种新型多功能一体化康复床的设计J.机电信息 2021（20）：47-48.路程/mm9.58.57.56.55.54.53.52.5-250.0-300.0-350.0-400.0-450.0-500.0-550.0-600.0-650.0-700.070.060.050.040.030.020.010.00.0Curve1Curve2仿真2023-05-28 08：28：06Analysis:Last_Run户端；手机客户端从云端服务器读取患者的数据并且进行处理分析，从而达到优化训练方案的目的。4结束语综上所述，该设备以人机工程学为理论基础，结合康复心理学和家庭、社区的临床康复需求，运用了机械产品设计10、机械制造与自动化技术与人工智能技术，设计一种以四杆机构为执行机构、以基于 Kinect 传感器为控制系统的智能化、经济型老龄人群上肢康复训练仪。由于其具有的语音和身体跟踪功能，可极大程度减少对治疗师的需求量，患者也无需多次前往医院进行康复治疗，同时，医护人员也可系统地得到患者康复数据，并制作出适合患者的阶段性康复训练计划。虽然该设备的购买费用较低，外观简易，但是其上肢康复训练的效果也可达到康复训练要求，符合家庭和社区的使用设想，并且该设备实现智能化和数字化，显著提高了上肢功能康复的效果。该设计的实施不但为上肢偏瘫患者提供一种安全且无任何副作用的治疗方案，并为家用的功能性康复设备的普及奠定了基础，极大程度减少了治疗师和医护人员的劳动量，减少了康复周期，提升了康复训练的效率，减轻患者的家庭负担，具有广阔的市场前景。参考文献院1 张丽华，黄爱云，谭红，等.老年脑卒中偏瘫患者康复效果影响因素的调查分析J.护理实践与研究，2019，16（21）：23-26.2 李宇淇，黄国志，路鹏程，等.上肢康复机器人联合上肢康复训练对脑卒中恢复期偏瘫患者的影响J.康复学报，2022，32（2）：111-116.3 吴宏杰.探讨脑卒中患者的康复治疗效果J.中国实用医药，2019，14（30）：195-196.4 雒韵韵，武俊英.脑卒中后偏瘫上肢功能障碍的康复治疗研究进展J.中西医结合心脑血管病杂志，2022，20（10）：1815-1818.5 梁嘉欣，黄国志.可穿戴设备应用于脑卒中康复治疗的研究进展J.中国康复医学志，2018，33（9）：1108-1112.6林琳.基于人体测量学的广州市老年人社区运云力健身设施研究D.广州：华南理工大学，2017.7韩新元，杨猛.产品设计中人机工程学尺度与应用J.黑河教育，2022（9）：87-88.8 孙占涛，杜立红，关爱如，等.机械设计制造的数字化与智能化发展思考J.现代工业经济和信息化，2023，13（2）：41-43.9 胡超，张乐安，张峰，等.四杆机构在机械设计中的应用J.湖北农机化，2019（11）：35-36.10 尹潇.机械产品设计中系统化设计法研究J.内燃机与配件，2021（7）：221-222.渊上接 37 页冤41-