被動式下肢康復訓練機

■杭州英特外國語學校 戴瑋廷 齊亞坤

有一次，我的好朋友踢足球時摔倒了，導致腿部骨折，不得不打石膏固定一段時間。

我陪他做康復訓練時注意到了橢圓機。能否將其改進后用于康復訓練，幫助下肢功能受損的人快速康復？

一、設計要求

被動式下肢康復訓練機適用于術后可站立的人，能模擬正常人行走時的步態(tài)，最大承重可達80kg，占地面積應小于1m2。可設置訓練次數(shù)與頻率，訓練時的噪聲要小。

二、設計方案

被動式下肢康復訓練機由單片機控制系統(tǒng)、步態(tài)控制結構、腳踏板姿態(tài)控制結構三部分組成。單片機可控制減速電機的速度，電機轉(zhuǎn)速由測速傳感器反饋給單片機，就可得到訓練的速度與時間。

腳踏板前、后兩側裝有壓力傳感器，可測量腳掌的前、后受力情況，收集運動時的數(shù)據(jù)，以便參考。

三、電子硬件部分

1.單片機

本產(chǎn)品利用Arduino UNO 控制。Arduino UNO 能通過收集傳感器的反饋信息，更好地控制機器運轉(zhuǎn)。微控制器可編寫程序，并將其編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。

選取Arduino UNO 的主要原因在于其小巧、高效，符合多點監(jiān)控系統(tǒng)小、精、準的要求。另外，它可以同時對不同的傳感器執(zhí)行編程命令，并將其完美結合。

2.壓力傳感器

薄膜式壓力傳感器可靠性高、維護簡單、安裝方便，能精確地測量用戶的腳部壓力及腳在踏板上的壓力分布。

3.型材

采用4040 歐標鋁型材，它重量輕，防腐能力強，處理性能良好，易于組裝及改變接口位置。

4.直線導軌

滑動摩擦導軌抗磨損，精度高，易拆卸，組裝簡單，它能支撐、引導運動部件按指定的方向做往復直線運動。

5.姿態(tài)傳感器

我們裝備的是MPU-6050 姿態(tài)傳感器，它小而精，可在不同環(huán)境下測量腳踏板與水平面的夾角，且不占空間，穩(wěn)定性極強。

四、整體結構

1.曲柄結構

曲柄結構通過電機轉(zhuǎn)動傳導至曲柄，可使腳踏板前后擺動。

2.直線滑軌結構

我們用斜置的直線滑軌來改變腳踏板角度，使普通的橢圓機產(chǎn)生正常人行走的步態(tài)角度。

3.腳踏板結構

腳踏板主要用于康復機的踩踏，同時改變足部擺角，使其產(chǎn)生貼近于正常人行走時的步態(tài)。

圖1 整體結構圖

五、程序設計

被動式下肢康復訓練機的程序設計如圖2 所示，在每一步電機動作后加入查停程序，增大了可控性，達到可隨動、隨停的效果，避免使用中由于未能及時停機而導致事故發(fā)生。

此外，訓練機上的兩個電位器可分別讀取訓練的次數(shù)與速度，電機上的編碼器可讓機器判斷是否達到該值。開始運轉(zhuǎn)后，主控根據(jù)編碼器反饋的轉(zhuǎn)速改變PWM 信號，使電機轉(zhuǎn)速達到給定的要求，踏板運行完成指定的次數(shù)后，程序結束。

圖2 程序流程圖

圖3 空載測試圖

六、系統(tǒng)的測試和結果分析

1.空載測試

首先測試控制系統(tǒng)，隨后進行空載測試。開啟相應的運行模式，訓練機能以每分鐘60 次的步頻運轉(zhuǎn)，無異常反應，并能根據(jù)控制調(diào)節(jié)步頻轉(zhuǎn)換運行頻率。

2.負載測試

選取5 名不同體重的測試者，其體重分別為45.9kg、51.3kg、63.1kg、75kg、81.4kg，以每分鐘30 次的步頻進行測試。

結果表明，每名測試者均能在訓練機上正常行走，基本達到設計要求。

七、進一步改進

被動式下肢康復訓練機結構穩(wěn)定，可靠性高，便于維護，能有效幫助做了下肢手術的患者進行康復訓練。

1.增加更多的調(diào)節(jié)結構，例如調(diào)節(jié)滑軌傾角的結構，讓訓練機能根據(jù)不同人的身高、體重及腿部狀況，調(diào)節(jié)腳踏板角度。

2.增加傳感器，例如在腿部加裝肌肉電傳感器來分析用戶的康復狀況。

3.結合傳感器反饋的智能控制算法，達到全自動控制，根據(jù)身體信息優(yōu)化康復訓練計劃。