腳部康復(fù)儀的改進(jìn)設(shè)計(jì)

虞欣粵 王 濤 張海林 楚善騰 徐秦領(lǐng)

（衢州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 衢州324000）

0 引言

鑒于康復(fù)群體的個(gè)體差異，腳部康復(fù)儀功能應(yīng)滿足康復(fù)者對(duì)關(guān)節(jié)活動(dòng)度的要求，同時(shí)需要兼顧性價(jià)比，使其能被大眾青睞。如今醫(yī)療器械研發(fā)界對(duì)康復(fù)儀器的研究與發(fā)展越來越重視[1]。在本機(jī)設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程大小需具有一定的可調(diào)性并且操作簡便，同時(shí)還應(yīng)該滿足各項(xiàng)安全性條件。通過查閱文獻(xiàn)了解并對(duì)比了國內(nèi)外各類康復(fù)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)之后，根據(jù)患者下肢的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出了直線雙滑軌腳部康復(fù)模式的康復(fù)儀。

1 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)現(xiàn)國內(nèi)外腳部康復(fù)儀的優(yōu)缺點(diǎn)分析，以及人體下肢動(dòng)關(guān)節(jié)長度和運(yùn)動(dòng)范圍，本設(shè)計(jì)需滿足以下要求：

儀器使用上應(yīng)操作簡便，控制簡單，既保證整機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性又能使大多數(shù)老年人自由操作該設(shè)備。

該款康復(fù)儀的運(yùn)動(dòng)特征能最大限度貼合人體腳部運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)于不同姿態(tài)以及不同訓(xùn)練要求，腿部訓(xùn)練機(jī)構(gòu)可進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。

1.1 滑軌設(shè)計(jì)

在整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，滑軌有導(dǎo)向和支撐作用，而且滑塊與運(yùn)動(dòng)塊相連，使得運(yùn)動(dòng)塊可以沿滑塊的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，在其他輔助老年人活動(dòng)的儀器中也采用了滑軌設(shè)計(jì)[2]。由于在設(shè)計(jì)中對(duì)導(dǎo)軌的剛度以及阻尼有要求，所以需保證連接件之間的縫隙盡可能的小而且摩擦力也要足夠小，經(jīng)過綜合考慮，選取滾珠型導(dǎo)軌，如圖1所示。其具有如下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 滾珠型導(dǎo)軌圖

（1）裝配簡單，替換操作方便。

（2）定位性能好，在工作狀態(tài)下?lián)p耗更小。

（3）在正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，無打滑現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

齒輪齒條系統(tǒng)中，齒條齒輪發(fā)生嚙合，齒條相對(duì)齒輪中心會(huì)發(fā)生直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)速度高，壽命長，而且其精度可以隨齒面的加工精度和安裝精度而進(jìn)一步提高，并且有學(xué)者在文獻(xiàn)中研究齒輪齒條機(jī)構(gòu)適合低速重載運(yùn)動(dòng)[3]。腳部康復(fù)儀在使用時(shí)沖擊較小，齒條齒輪傳動(dòng)相對(duì)而言更適合本款腳部康復(fù)儀的要求。

設(shè)計(jì)中選取的小齒輪數(shù)據(jù)齒輪如圖2所示。

圖2 齒輪零件圖

齒輪：齒數(shù)Z=25，模數(shù)m=1，壓力角 α=20°，齒輪寬度B=10 mm齒輪材料采用45號(hào)鋼并調(diào)質(zhì)處理，硬度為265 HBS。

齒條：齒條長L=350 mm，模數(shù)m=1，壓力角α=20°，齒條寬度B=12 mm材料45正火處理，硬度為200 HBS。

弗吉尼亞·伍爾夫：回憶往事的時(shí)候我會(huì)有很強(qiáng)的滿足感，這份滿足感并不是源于往事的美好，而是因?yàn)槲抑挥性诨貞浲碌臅r(shí)候，才能真實(shí)深切地感受到我活在當(dāng)下。

因本設(shè)計(jì)中的齒輪齒條是在開放環(huán)境下工作的，其磨損將會(huì)使齒輪齒條在產(chǎn)生疲勞之前發(fā)生破壞，但康復(fù)機(jī)的使用多是在較為干凈的場合中使用，齒輪齒條的壽命會(huì)比機(jī)器的整體壽命更長。

1.3 電機(jī)選擇

由于直流電機(jī)速度控制精準(zhǔn)以及原理簡單操作方便，且康復(fù)儀的速度變化不大，所以選用直流電機(jī)作為動(dòng)力源，其計(jì)算如下：正常成年男性的體重為70 kg，故取正常成年男性的單邊下肢重量m1=30 kg，移動(dòng)部件的總重量 （包括人體下肢和步進(jìn)電機(jī)）m3=40 kg。齒輪的分度圓直徑，半徑r=12.5 mm，g=9.8 N/kg。

如圖4是腳部康復(fù)機(jī)的抬升角度處于極限位置（45°）時(shí)，對(duì)齒輪的受力分析。此時(shí)踏板的受力系數(shù)為a=0.5。

由圖可知單個(gè)步進(jìn)電機(jī)上的牽引力：

圖3 腳部康復(fù)機(jī)（角度最大）側(cè)面圖

圖4 受力分析圖

公式中：F為牽引力（N）；m3為移動(dòng)部件的總質(zhì)量（kg）；g為重力加速度（m/s2）。 由公式（1）計(jì)算可得F=70 N。

公式中：T為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 （N·m）；F為牽引力（N）；r為齒輪的半徑（mm）。 由公式（2）計(jì)算可得T=0.87 N·m。

在直流電機(jī)完全滿足運(yùn)動(dòng)的前提下，選擇利用蝸輪蝸桿減速的A5882-45電機(jī)，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。有著蝸輪蝸桿減速裝置，可以實(shí)現(xiàn)反向自鎖，減速增距，在緊急停機(jī)的情況下可以保證滑動(dòng)板的自鎖，保護(hù)患者[4]。

表1 A5882-45直流電機(jī)產(chǎn)品參數(shù)表

1.4 運(yùn)動(dòng)構(gòu)件

康復(fù)機(jī)的底座框架如圖5所示，在底架上安裝有一個(gè)支撐桿定位卡槽，設(shè)有多個(gè)調(diào)節(jié)檔位。調(diào)節(jié)方便且重量較輕。

斜度調(diào)整部分裝配圖如圖6所示，該框架中兩條導(dǎo)軌用螺釘螺母與長型材與長型材連接，齒條固定在襯有尼龍墊高塊的角鋁上，角鋁則固定于長型材上。兩條長型材的中間用連接件安裝一組支撐架端部安裝塊。斜度調(diào)整部分裝配與底座框架之間以兩個(gè)鉸鏈相連。

滑板行走部分的裝配模型如圖7所示，四個(gè)滑塊與滑動(dòng)板相連接，滑板之上安裝踏板架與電機(jī)。在電機(jī)的軸上安裝齒輪，齒輪在與斜度調(diào)整部分的齒條嚙合后能夠提供滑板帶動(dòng)病人下肢隨滑動(dòng)板運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。由于病人下肢在收縮狀態(tài)和伸展?fàn)顟B(tài)下人腳相對(duì)于踏板的角度會(huì)有一定的變化，所以設(shè)計(jì)了踏板中間固定，踏板的連接部分設(shè)計(jì)有一個(gè)與踏板安裝架腰子槽相對(duì)的安裝孔，由此實(shí)現(xiàn)腳踏板在有限程度內(nèi)地自我調(diào)節(jié)功能。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的直線雙滑軌腳部康復(fù)儀裝置整體如圖8所示。該裝置主要由裝置主架、驅(qū)動(dòng)模塊組成。裝置主架包括腳部踏板、腳部支架、抬升機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)支架、直線雙滑軌；驅(qū)動(dòng)模塊包括步進(jìn)電機(jī)、蝸輪蝸桿、齒輪、齒條，當(dāng)裝置穿配好以后，患者的腳放置在踏板上時(shí)，步進(jìn)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)并帶動(dòng)腳踏板上的齒輪齒條進(jìn)行反復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了腳部鍛煉的目的。

圖5 底座框架模型裝配圖

圖6 斜度調(diào)整部分模型裝配圖

圖7 滑動(dòng)板行走部分模型裝配圖

圖8 腳部康復(fù)儀整體效果圖

3 結(jié)論

本款腳部康復(fù)儀裝置采用抬升機(jī)構(gòu)的理念，使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)腳踏板在齒條上做反復(fù)抬升運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腳部反復(fù)活動(dòng)，而且雙滑軌設(shè)計(jì)使裝置傾斜角度可調(diào)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)式腳步康復(fù)儀不僅裝置簡單，操作便捷，裝置自重輕占地少，安全度高，操作性強(qiáng)，有效提高用戶使用舒適度，適合家用。