老齡人群上肢康復(fù)訓(xùn)練儀設(shè)計(jì)

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.010

摘" 要：基于對(duì)老齡人群上肢偏癱患者的研究現(xiàn)狀及階段性康復(fù)訓(xùn)練對(duì)上肢康復(fù)的重要性，設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)型、智能化，面對(duì)家庭、社區(qū)的老齡人群上肢康復(fù)訓(xùn)練儀。該設(shè)備以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源，以蝸輪蝸桿減速器、同步帶輪和傳動(dòng)帶輪為傳動(dòng)系統(tǒng)，并為設(shè)備提供動(dòng)力傳遞，基于Kinect傳感器的控制系統(tǒng)，代替治療師的康復(fù)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者訓(xùn)練方案的優(yōu)化，極大程度上解決治療師需求量大的問(wèn)題。肘關(guān)節(jié)屈伸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)肘關(guān)節(jié)訓(xùn)練過(guò)程中角度、前臂后臂長(zhǎng)度參數(shù)的精確控制，最終設(shè)計(jì)出符合老齡人群的家庭型老齡人群上肢康復(fù)訓(xùn)練儀，并通過(guò)三維仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證其干涉情況及性能。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué)；上肢；康復(fù)訓(xùn)練儀；經(jīng)濟(jì)型；智能化

中圖分類號(hào)：TH122" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）32-0038-04

Abstract： Based on the research status of elderly patients with upper limb hemiplegia and the importance of phased rehabilitation training to upper limb rehabilitation， an economical and smart upper limb rehabilitation training instrument for elderly people 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 control system based on Kinect sensor replaces the rehabilitation training of therapists to optimize the training program of patients and solve the gap of great demand of therapists to a great extent. The design of the elbow flexion and extension mechanism realizes the 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 performance are verified by three-dimensional simulation design.

Keywords： ergonomics; upper limb; rehabilitation training instrument; economical; intelligent

偏癱一般指一側(cè)上下肢的運(yùn)動(dòng)障礙，是急性腦血管的一個(gè)常見(jiàn)癥狀，其中上肢偏癱狀況最為常見(jiàn)[1]。數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)每年發(fā)生腦卒中超過(guò)500萬(wàn)例。偏癱患者中大約有36%的患者在腦卒中6個(gè)月后遺留上肢功能障礙，然而老齡患者占絕大部分，臨床多給予患者進(jìn)行上肢訓(xùn)練[2]。迄今為止，許多康復(fù)訓(xùn)練都是通過(guò)治療師徒手操作完成的，因此存在一些問(wèn)題：隨著上肢功能障礙患者不斷增多，治療師的需求量增大。然而，治療師長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)動(dòng)作容易肢體疲勞，導(dǎo)致治療動(dòng)作不一致，會(huì)影響治療效果。因此訓(xùn)練量難以量化，康復(fù)周期增長(zhǎng)[3]。

對(duì)于上肢功能障礙的患者，若盡早進(jìn)入功能性的康復(fù)訓(xùn)練，會(huì)達(dá)到更好的效果。隨著康復(fù)訓(xùn)練儀器運(yùn)用于治療中，能減少治療師肢體疲勞的狀況。也可以代替治療師進(jìn)行精準(zhǔn)、重復(fù)、高效的訓(xùn)練動(dòng)作[4]。但是，康復(fù)治療儀器還存在著一些不足之處，如運(yùn)動(dòng)的柔性和安全性不足，缺少力反饋裝置等。因此，針對(duì)上肢各關(guān)節(jié)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的康復(fù)治療設(shè)備的研究引起了各國(guó)研究者們的重點(diǎn)關(guān)注[5]。

目前，上肢康復(fù)訓(xùn)練主要是患者前往醫(yī)院使用醫(yī)院的康復(fù)儀器，需要治療師協(xié)助治療，同時(shí)還需配備相應(yīng)的醫(yī)生調(diào)整訓(xùn)練方案，成本較高。這種康復(fù)治療方案雖針對(duì)性強(qiáng)，患者可獲得更好的功能性治療，但其高昂的費(fèi)用不適宜普通家庭，也無(wú)法在社區(qū)使用。本設(shè)計(jì)分析了目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，引入人體測(cè)量學(xué)（屬于人機(jī)工程學(xué)范疇）對(duì)上肢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[6]，設(shè)計(jì)一種面對(duì)家庭和社區(qū)的經(jīng)濟(jì)型肘關(guān)節(jié)屈伸康復(fù)訓(xùn)練儀器。

1" 老齡人群上肢康復(fù)訓(xùn)練儀理論基礎(chǔ)

為了體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，康復(fù)訓(xùn)練儀引入人機(jī)工程學(xué)概念，將老齡人群上肢康復(fù)訓(xùn)練儀置于“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)中，同時(shí)結(jié)合康復(fù)心理學(xué)，可由患者自主靈活地選擇人為或自我康復(fù)訓(xùn)練[7]，使得設(shè)計(jì)能更加符合老齡人群使用。

老齡人群上肢康復(fù)訓(xùn)練儀是以人機(jī)工程學(xué)為理論依據(jù)，對(duì)人體的生理結(jié)構(gòu)、骨骼特點(diǎn)、肢體尺寸和心理特征進(jìn)行研究，人和機(jī)器配合適當(dāng)，機(jī)器的整體尺寸應(yīng)當(dāng)與人體的外形尺寸相適應(yīng)，手肘屈伸運(yùn)動(dòng)的角度范圍設(shè)定在人體肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍以內(nèi)，屈伸機(jī)構(gòu)的受力情況應(yīng)當(dāng)符合人體力學(xué)，使患者在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中從心理上真正接受這種新型的康復(fù)療法，且能靈活地操作。

2" 老齡人群上肢康復(fù)訓(xùn)練儀方案設(shè)計(jì)

2.1" 康復(fù)訓(xùn)練儀設(shè)計(jì)約束條件

上肢康復(fù)訓(xùn)練儀是直接作用在人體上的醫(yī)療器材，所以在設(shè)計(jì)上要符合以下幾個(gè)約束條件要求。①安全性能要求：安全問(wèn)題是上肢康復(fù)儀器設(shè)計(jì)過(guò)程中的最主要問(wèn)題之一，其康復(fù)原理是在康復(fù)者的患肢上加上一個(gè)機(jī)器臂，通過(guò)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)輔助患者完成康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作。在設(shè)計(jì)過(guò)程中除了要實(shí)現(xiàn)康復(fù)動(dòng)作的完成，還要考慮到其安全性，防止患者在進(jìn)行訓(xùn)練的過(guò)程中患肢受到“二次損傷”。②運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)要求：康復(fù)訓(xùn)練儀最基本的設(shè)計(jì)要求是根據(jù)人體上肢的生理結(jié)構(gòu)和人體力學(xué)，實(shí)現(xiàn)手肘部的自由度運(yùn)動(dòng)，根據(jù)人體上肢的生理結(jié)構(gòu)可知肘關(guān)節(jié)處有一個(gè)自由度，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有針對(duì)性地對(duì)此自由度進(jìn)行功能定位和設(shè)計(jì)。③機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是手肘康復(fù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔，且靈活性高，盡可能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵尺寸的可調(diào)性來(lái)適應(yīng)更多的患者。同時(shí)要根據(jù)康復(fù)運(yùn)動(dòng)的特性（非快速運(yùn)動(dòng)、變載荷、帶緩沖等）選擇合適的傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。④輔助要求：作為一款面向特殊用戶使用的儀器，在人機(jī)交互時(shí)必須考慮到用戶的使用習(xí)慣、思維方式、心理特征等方面，要求產(chǎn)品要有一定的形態(tài)和舒適度，使患者在使用過(guò)程中更加方便和舒適。

2.2" 老齡人群上肢康復(fù)訓(xùn)練儀方案設(shè)計(jì)流程

康復(fù)訓(xùn)練儀是基于人機(jī)工程設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)理論到裝配制造，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

設(shè)備主要分系統(tǒng)包括：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，由上述分系統(tǒng)構(gòu)成了老齡人群上肢康復(fù)訓(xùn)練儀，如圖2所示。該設(shè)備主要設(shè)計(jì)思路：以步進(jìn)電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、同步帶輪、Kinect傳感器及Arduino單片機(jī)等，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化上肢康復(fù)訓(xùn)練、云端智能化處理康復(fù)數(shù)據(jù)并輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練等功能。

3" 老齡人群上肢康復(fù)訓(xùn)練儀詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1" 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，在所有設(shè)計(jì)和工程的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)方式主要有3大類：電動(dòng)式、氣動(dòng)式和液壓式，該設(shè)備中所選用的是電動(dòng)式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)工作環(huán)境要求不高，且操作方便易于實(shí)現(xiàn)，所以是驅(qū)動(dòng)方式選擇的最佳方案。

該設(shè)備選擇步進(jìn)電機(jī)，是一類可以將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的開(kāi)環(huán)控制的電機(jī)，屬于直流電機(jī)的一種類型，內(nèi)部有多匝線圈，同時(shí)給多個(gè)線圈接上電，電機(jī)便轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，依次給每個(gè)線圈接電，電動(dòng)機(jī)即會(huì)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向可以通過(guò)脈沖電流的頻率和順序來(lái)實(shí)現(xiàn)，甚至可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)在任何位置的控制。

依據(jù)訓(xùn)練儀的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和患者的不同需求，訓(xùn)練儀對(duì)電機(jī)也有角度和定位的要求，所以在滿足力矩的情況下，該設(shè)備選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。

3.2" 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

老齡人群上肢康復(fù)訓(xùn)練儀屬于外骨骼式康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，本設(shè)備通過(guò)與患者肢體的多部位接觸，給患者的肢體施加外力和力矩，在康復(fù)訓(xùn)練的過(guò)程中保持一定的動(dòng)作和姿勢(shì)，通過(guò)動(dòng)作的重復(fù)性和連續(xù)性達(dá)到患者的訓(xùn)練目的。利用可以控制正反轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源頭，通過(guò)聯(lián)軸器連到蝸輪蝸桿減速器上（蝸輪蝸桿減速器可以實(shí)現(xiàn)減速、放大扭矩和自鎖）[8]，蝸輪蝸桿減速機(jī)輸出軸上連上同步帶輪，與上方的同步帶輪連接（同步帶輪傳動(dòng)比恒定，效率高且沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)）。其傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3" 執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)備的執(zhí)行系統(tǒng)為肘關(guān)節(jié)屈伸機(jī)構(gòu)，采用的是外骨骼結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，由于力矩較大，可能承受整個(gè)小臂的重量會(huì)因?yàn)閯傂圆蛔?，而發(fā)生意外事情，所以該設(shè)備考慮到了安全方面的因素，所以采用四桿機(jī)構(gòu)[9]，如圖4所示。

在四桿機(jī)構(gòu)中，小臂懸臂與驅(qū)動(dòng)相連，四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)屈伸機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性。四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)用于肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)只對(duì)小臂做功，因此傳遞的力矩小。通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)手肘部的屈伸運(yùn)動(dòng)。肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖5所示，可以適當(dāng)?shù)卦趥鲃?dòng)齒輪的外部加上防護(hù)設(shè)備，從而保證患者在訓(xùn)練過(guò)程中的安全性。

3.4" 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)備控制系統(tǒng)如圖6所示，Kinect傳感器分析患者進(jìn)行每一項(xiàng)活動(dòng)時(shí)的受力情況和活動(dòng)范圍，通過(guò)身體跟蹤SDK獲取患者康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的速度、頻率、重心等動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化，獲取的各項(xiàng)參數(shù)值通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊（nRF24L01）和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊（DS32331）接收信號(hào)發(fā)送到Arduino單片機(jī)，Arduino單片機(jī)處理后的相關(guān)數(shù)據(jù)可以通過(guò) WIFI 模塊上傳數(shù)據(jù)到OneNET云平臺(tái)，患者家屬和醫(yī)護(hù)人員可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者康復(fù)訓(xùn)練狀態(tài)。醫(yī)護(hù)人員可在OneNET云平臺(tái)查看患者各階段康復(fù)數(shù)據(jù)，并由S7-300控制模塊接收，將康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)運(yùn)用于整個(gè)訓(xùn)練儀的工作。

同時(shí)Kinect傳感器還具有語(yǔ)音API播報(bào)功能，將患者上肢康復(fù)訓(xùn)練方案和訓(xùn)練方法通過(guò)播報(bào)方式輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，解決治療師市場(chǎng)缺口大的問(wèn)題，極大程度上減少了家庭的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。無(wú)線發(fā)送模塊連接到指定的路由器與WIFI模塊連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與OneNET云平臺(tái)云端服務(wù)器相連接，患者根據(jù)云端傳來(lái)的指令進(jìn)行訓(xùn)練；云端服務(wù)器通過(guò)TCP協(xié)議向控制模塊發(fā)送訓(xùn)練方案，并且接收患者的運(yùn)動(dòng)軌跡，存儲(chǔ)資料提供給客戶端；手機(jī)客戶端從云端服務(wù)器讀取患者的數(shù)據(jù)并且進(jìn)行處理分析，從而達(dá)到優(yōu)化訓(xùn)練方案的目的。

4" 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該設(shè)備以人機(jī)工程學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合康復(fù)心理學(xué)和家庭、社區(qū)的臨床康復(fù)需求，運(yùn)用了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)[10]、機(jī)械制造與自動(dòng)化技術(shù)與人工智能技術(shù)，設(shè)計(jì)一種以四桿機(jī)構(gòu)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、以基于Kinect傳感器為控制系統(tǒng)的智能化、經(jīng)濟(jì)型老齡人群上肢康復(fù)訓(xùn)練儀。由于其具有的語(yǔ)音和身體跟蹤功能，可極大程度減少對(duì)治療師的需求量，患者也無(wú)需多次前往醫(yī)院進(jìn)行康復(fù)治療，同時(shí)，醫(yī)護(hù)人員也可系統(tǒng)地得到患者康復(fù)數(shù)據(jù)，并制作出適合患者的階段性康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃。雖然該設(shè)備的購(gòu)買費(fèi)用較低，外觀簡(jiǎn)易，但是其上肢康復(fù)訓(xùn)練的效果也可達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練要求，符合家庭和社區(qū)的使用設(shè)想，并且該設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化和數(shù)字化，顯著提高了上肢功能康復(fù)的效果。該設(shè)計(jì)的實(shí)施不但為上肢偏癱患者提供一種安全且無(wú)任何副作用的治療方案，并為家用的功能性康復(fù)設(shè)備的普及奠定了基礎(chǔ)，極大程度減少了治療師和醫(yī)護(hù)人員的勞動(dòng)量，減少了康復(fù)周期，提升了康復(fù)訓(xùn)練的效率，減輕患者的家庭負(fù)擔(dān)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（江蘇教科函〔2019〕7號(hào)）；無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202210848041Y）

*通信作者：馬蘇常（1968-），男，博士，教授。研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。