新型臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬艷

摘 要：對(duì)于長時(shí)間臥床的偏癱患者以及下肢行為較為虛弱的患者來講，研究一種臥式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，能讓患者在床上進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。因此，在各種康復(fù)訓(xùn)練模式上，文章設(shè)計(jì)了新型臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，并記述了內(nèi)在的構(gòu)造。

關(guān)鍵詞：下肢;康復(fù)訓(xùn)練;機(jī)器人;康復(fù)訓(xùn)練模式，伺服系統(tǒng);腦卒

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.068

0 前言

對(duì)于治療腦卒中診斷水平在逐漸提升，在很大程度上提高了患者存活率。腦卒中偏癱患者運(yùn)動(dòng)功能會(huì)有所降低，這是因?yàn)楦淖兞思∪馀c神經(jīng)元繼發(fā)性，當(dāng)不進(jìn)行有效的治療，將會(huì)留下許多并發(fā)癥，但也不能盲目的訓(xùn)練，這樣的訓(xùn)練方式，較為影響患者日常生活質(zhì)量。然而，使用運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練能有效恢復(fù)中樞神經(jīng)，預(yù)防肌肉萎縮產(chǎn)生。

1 康復(fù)訓(xùn)練模式分析

對(duì)于下體虛弱從而無法直立行走的患者，則需要使用臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，機(jī)器人主要針對(duì)患者在躺臥狀況下對(duì)患者施行的被動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練，從而保護(hù)關(guān)節(jié)的正?；顒?dòng)狀況，避免影響肢體的運(yùn)動(dòng)情況。查閱關(guān)于下肢康復(fù)的相關(guān)書籍中以及結(jié)合機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)，最終總結(jié)出如下類康復(fù)訓(xùn)練模式。髖關(guān)節(jié)是位于大腿軸線與身體冠狀間出現(xiàn)的夾角部位，位于小腿軸線與大腿軸線的夾角稱為膝關(guān)節(jié)角度，對(duì)于踝關(guān)節(jié)部位的矢狀位置，需繞額狀軸展開運(yùn)行，逐步向前運(yùn)行，慢慢變?yōu)楸城?，向后展開運(yùn)動(dòng)，我們稱為跖屈。如果將其放置到水平面上，應(yīng)圍繞小腿來展開運(yùn)動(dòng)，逐漸接近中間部位，稱之為內(nèi)收，外展是稱正中面位置。在康復(fù)訓(xùn)練過程中，需要根據(jù)患者身體情況，合理、有效的對(duì)運(yùn)動(dòng)角度選擇。為了確保運(yùn)動(dòng)具有足夠的柔順性與舒適型，需髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在起點(diǎn)位置控制為10度左右。

1.1 訓(xùn)練髖關(guān)節(jié)

患者在訓(xùn)練髖關(guān)節(jié)過程中，應(yīng)維持膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)不變的情況下，盡量增寬髖關(guān)節(jié)中的運(yùn)動(dòng)角度，使得患者腿部筋絡(luò)疏通，促進(jìn)血液循環(huán)間的流動(dòng)，在此基礎(chǔ)上，髖關(guān)節(jié)最大的活動(dòng)區(qū)域?yàn)?0度，能對(duì)其開展任意的調(diào)節(jié)。如圖1訓(xùn)練髖關(guān)節(jié)。

1.2 鍛煉膝關(guān)節(jié)

維持髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)不變的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低亦或增大膝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度，這樣能拉伸膝關(guān)節(jié)位置韌帶，幫助疏通經(jīng)絡(luò)作用。在此模式下，應(yīng)保持髖關(guān)節(jié)角度在90度左右，這樣能隨意調(diào)整膝關(guān)節(jié)活動(dòng)區(qū)域。

2 臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上康復(fù)訓(xùn)練模式，應(yīng)達(dá)到不同患者身高與病床要求，這樣能方便進(jìn)行有效操作。根據(jù)人體特征來設(shè)計(jì)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。

2.1 設(shè)計(jì)機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)

機(jī)器人腿部是外骨骼機(jī)械機(jī)構(gòu)，經(jīng)過外力的作用下，可有效改變患者下肢神經(jīng)與肌肉系統(tǒng)，幫助患者行走，在患者腿部安置上主力裝置，能替代治療師協(xié)助患者做一些較為簡單的康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)。為患者安裝上仿生機(jī)械機(jī)器，能讓患者自由活動(dòng)，對(duì)患者做腿部康復(fù)訓(xùn)練也非常有幫助[1]。設(shè)計(jì)的機(jī)器人有髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)，都是大腿、小腿以及腳部組成。在各個(gè)部位，都會(huì)安裝上交流伺服電機(jī)，這樣才能使腿部來回運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)目的。為了能降低患者腿部負(fù)擔(dān)，應(yīng)減小重心，合理減小關(guān)節(jié)位置的安裝尺寸，電機(jī)與減速器都應(yīng)選擇傳動(dòng)連接的模式。這樣電機(jī)才能帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速器，擺動(dòng)膝關(guān)節(jié)。安裝的電機(jī)1與電機(jī)2能互相協(xié)調(diào)，掌握人體踝關(guān)節(jié)軸線軌跡。交叉安裝電機(jī)1與電機(jī)2，才能控制好踝關(guān)節(jié)軸線矢狀面。減速器3與4可交叉安裝，通過電機(jī)3才能帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速器3進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)內(nèi)收以及外展運(yùn)動(dòng)?？刂葡轮袃?nèi)旋和外旋運(yùn)動(dòng)。

2.2 系統(tǒng)工作原理

在機(jī)器人工作時(shí)，要先將患者腳踝部位放在支撐架上，腳面放在腳踏板上面并固定。之后使用選定好的模式進(jìn)行康復(fù)，電動(dòng)機(jī)械腿可以帶動(dòng)患者腿向前邁進(jìn)，讓患者腿部能根據(jù)機(jī)械來回運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鍛煉患者關(guān)節(jié)的目的。在機(jī)器人的設(shè)計(jì)上，康復(fù)機(jī)器人適用于兩只腿的康復(fù)鍛煉，當(dāng)右腿需要做康復(fù)時(shí)，應(yīng)以大腿軸心到地面垂線為對(duì)稱周，控制電機(jī)中各個(gè)關(guān)節(jié)位置，旋轉(zhuǎn)腳固定板，將腿部支撐從支撐架上撥出，在另外一端耳朵插入到支撐架上。

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)與分析外骨骼機(jī)械腿部，了解控制當(dāng)前系統(tǒng)，在機(jī)器中，應(yīng)合理掌握系統(tǒng)原則，掌握控制系統(tǒng)中上、下結(jié)構(gòu)開發(fā)式機(jī)器人控制系統(tǒng)。通過PCL總線實(shí)現(xiàn)兩者間通訊。研制的機(jī)器人控制系統(tǒng)，能融合PC機(jī)的信息處理，將其開放特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)有效結(jié)合，加強(qiáng)信息處理能力，這樣能使軌跡掌握的更加精準(zhǔn)，適合各類人群。

某某運(yùn)動(dòng)控制器材，輸出脈沖與模擬量，掌握信號(hào)四軸運(yùn)動(dòng)，其中，核心部位便是邏輯計(jì)算能力中的模塊和數(shù)字信號(hào)處理，從而掌握伺服運(yùn)動(dòng)。通過模擬量數(shù)據(jù)采用轉(zhuǎn)換通道，能達(dá)到大腿軸扭矩傳感器扭動(dòng)。作為輔導(dǎo)人員，應(yīng)了解機(jī)器人大腿軸扭矩是怎樣的改變的，患者康復(fù)情況如何，預(yù)防扭傷患者的狀況產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

綜上所述，臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，是一種集成機(jī)電系統(tǒng)，能有效對(duì)硬件配置以及機(jī)械結(jié)構(gòu)做出詳細(xì)的說明，來達(dá)到新型臥式下肢康復(fù)，結(jié)合機(jī)器人與康復(fù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合，能使得患者恢復(fù)到正常的生活，能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。接下來，應(yīng)更進(jìn)一步的分析柔性化控制，最后將其人和機(jī)相結(jié)合。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘志超，徐秀林，肖陽.下肢康復(fù)機(jī)器人研究進(jìn)展[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐，2016，22（06）：680-683.