站立下肢康復(fù)訓(xùn)練器的研發(fā)

劉博 陸英男 花鵬

摘 要：針對(duì)我國人口老齡化問題日益加重、失能老人尤其是下肢功能障礙老人數(shù)量增加的問題，為了提高老人的自主生活能力及后期生活質(zhì)量，減少家屬及護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)，我公司研制了一款新型的站立下肢康復(fù)訓(xùn)練器，旨在幫助下肢功能障礙老人進(jìn)行下肢功能恢復(fù)訓(xùn)練，該產(chǎn)品使用安全，康復(fù)功能強(qiáng)大，適用范圍廣泛，可以解決下肢康復(fù)過程中的絕大部分問題，從而幫助患者提高生活質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：下肢康復(fù)；功能訓(xùn)練；研發(fā)

一、背景

隨著我國醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，我國的人均壽命不斷延長(zhǎng)，已達(dá)77.0歲。人均壽命延長(zhǎng)固然可喜，但人口老齡化的問題隨之而來[1]，截至2022年底，我國60歲以上老年人口數(shù)量達(dá)2.12億，占總?cè)丝诘?5.5%，失能老人超過3800萬人，根據(jù)《中國腦卒中防治報(bào)告（2022）》顯示，我國腦卒中患病率呈上升趨勢(shì)，由此引發(fā)的下肢功能障礙如果缺乏后續(xù)康復(fù)治療和訓(xùn)練，將會(huì)導(dǎo)致肌肉萎縮、潰爛甚至人體相關(guān)機(jī)能喪失，進(jìn)而嚴(yán)重影響患者的后續(xù)生活質(zhì)量[2]。目前國內(nèi)市場(chǎng)缺少相應(yīng)的下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，已有設(shè)備不能很好地進(jìn)行下肢康復(fù)全面訓(xùn)練，同時(shí)專業(yè)康復(fù)訓(xùn)練人員儲(chǔ)備嚴(yán)重不足，人工輔助康復(fù)強(qiáng)度大。因此，我公司設(shè)計(jì)了一款專門針對(duì)下肢功能康復(fù)的新型站立下肢康復(fù)訓(xùn)練器，該新型設(shè)備可實(shí)現(xiàn)整體升降，起立角度自由調(diào)節(jié)，康復(fù)運(yùn)動(dòng)速度可由康復(fù)醫(yī)生在上位機(jī)上自主設(shè)定，具有主動(dòng)、被動(dòng)兩種訓(xùn)練模式，同時(shí)設(shè)備可進(jìn)行痙攣檢測(cè)及足底壓力檢測(cè)，超出設(shè)定范圍可自主停機(jī)保證使用者安全，同時(shí)該設(shè)備可極大地減輕輔助康復(fù)人員工作強(qiáng)度，具有很高的社會(huì)效益[3]。

二、構(gòu)成及工作原理

站立下肢康復(fù)訓(xùn)練器主要由底座部、整體升降部、下肢訓(xùn)練部及床體等4部分組成，其中整體升降部鉸接在底座部上，二者之間安裝有水平高度調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿，通過水平高度調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿的伸縮完成高度的調(diào)節(jié)，下肢訓(xùn)練部通過兩側(cè)轉(zhuǎn)軸與整體升降部鉸接固定，二者之間安裝起立電動(dòng)推桿，通過起立電動(dòng)推桿伸縮可實(shí)現(xiàn)下肢訓(xùn)練部沿轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而從水平狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)到垂直狀態(tài)。下肢訓(xùn)練部與底座部之間在兩側(cè)安裝有氮?dú)鈴椈桑靡愿纳破鹆㈦妱?dòng)推桿的受力狀態(tài)，對(duì)整體起立床架起到輔助支撐作用。同時(shí)為確保設(shè)備使用時(shí)的安全性，在下肢訓(xùn)練部達(dá)到豎直狀態(tài)時(shí)設(shè)置機(jī)械限位裝置，整體升降部與下肢訓(xùn)練部的軸連接件間設(shè)置有上限位擋塊和下限位擋塊，當(dāng)下肢訓(xùn)練部在起立電動(dòng)推桿的作用下起立到達(dá)90°時(shí)，兩個(gè)限位擋塊相互嚙合，限定下肢訓(xùn)練部和整體升降部的相互轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)兩個(gè)限位擋塊表面覆蓋有緩沖墊，進(jìn)一步減小沖擊。床體部下端通過轉(zhuǎn)軸鉸接固定在下肢訓(xùn)練部上，在下肢訓(xùn)練部及床體間通過鉸接件固定安裝有角度調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿，角度調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿通過伸縮可實(shí)現(xiàn)下肢訓(xùn)練部與床體間的角度變化，在進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練前床體與地面成平行狀態(tài)，使用者首先躺在床體上，采取臥姿在床體上完成訓(xùn)練前的相關(guān)準(zhǔn)備工作（包括調(diào)整身體姿態(tài)、固定身體位置等），之后通過醫(yī)護(hù)人員操作起立電動(dòng)推桿將使用者從臥姿慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒆?，最后使用者通過下肢訓(xùn)練部帶動(dòng)進(jìn)行包括模擬踏步在內(nèi)的下肢康復(fù)相關(guān)訓(xùn)練，整個(gè)站立下肢康復(fù)訓(xùn)練器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

（一）底座部分

底座部分主要由鋼管及鉸鏈焊接而成，底座部分承擔(dān)包括整個(gè)設(shè)備及康復(fù)時(shí)使用者在內(nèi)的全部重量，底座焊架上焊接鉸鏈與訓(xùn)練器升降部分通過連接銷軸相連接，使用時(shí)底部安裝腳輪，腳輪采用萬向剎車醫(yī)用腳輪，方便設(shè)備的移動(dòng)及駐停，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（二）整體升降部分

整體升降部分主要由上部升降焊架、下部升降焊架及升降轉(zhuǎn)桿焊架3部分組成（圖3），3部分通過連接銷軸鉸接而成，以上3部分組成平行四邊形結(jié)構(gòu)，在水平高度調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿及氮?dú)鈴椈傻碾p重作用下，以上3部分之間發(fā)生相對(duì)位置變化，其組成的平行四邊形的結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)的上升與下降。整個(gè)機(jī)構(gòu)通過連接銷軸與底座部分及訓(xùn)練部分相連接，升降高度由康復(fù)醫(yī)師通過手柄控制水平高度調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿伸縮進(jìn)行調(diào)節(jié)（圖4）。

（三）下肢訓(xùn)練部分

訓(xùn)練部分主要由抬膝驅(qū)動(dòng)部分及腳部調(diào)節(jié)裝置兩部分組成。其中抬膝訓(xùn)練部分結(jié)構(gòu)圖如5所示，抬膝訓(xùn)練機(jī)構(gòu)是整個(gè)裝置的核心，也是完成康復(fù)訓(xùn)練的主要裝置，其主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器、絕對(duì)值位置編碼器、主動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪、導(dǎo)向軸、滾珠絲杠、膝部訓(xùn)練升降滑塊、升降滑塊鉸鏈、抬膝推桿、直線滑軌及腿部固定部件組成。在訓(xùn)練過程中，康復(fù)醫(yī)師根據(jù)使用者的實(shí)際情況設(shè)定康復(fù)訓(xùn)練各項(xiàng)指標(biāo)（如訓(xùn)練模式、訓(xùn)練速度、訓(xùn)練時(shí)間、痙攣檢測(cè)閾值等），訓(xùn)練開始時(shí)，膝部訓(xùn)練部驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速器開始驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行一級(jí)減速，同時(shí)絕對(duì)編碼器記錄主動(dòng)齒輪位置并向上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，主動(dòng)齒輪通過齒輪間嚙合驅(qū)動(dòng)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)完成二級(jí)減速，從動(dòng)齒輪通過鍵連接帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠旋轉(zhuǎn)的同時(shí)絲母滑塊在絲杠上進(jìn)行上下往復(fù)移動(dòng)，膝部訓(xùn)練升降滑塊與絲母滑塊通過螺釘緊固連接，隨絲母滑塊在絲杠上進(jìn)行上下往復(fù)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在膝部訓(xùn)練升降滑塊上下運(yùn)動(dòng)的過程中，導(dǎo)向軸在縱向起導(dǎo)向作用，保證膝部訓(xùn)練升降滑塊運(yùn)動(dòng)方向。膝部訓(xùn)練升降滑塊與滑塊鉸鏈通過螺釘鉸接，抬膝推桿通過連接銷軸與滑塊鉸鏈連接，隨著升降滑塊沿導(dǎo)向軸上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滑塊鉸鏈帶動(dòng)抬膝推桿前后擺動(dòng)。同時(shí)為了彌補(bǔ)患者身高方面的差異，在抬膝推桿與膝部固定部分中用直線滑軌連接，膝部固定部分在抬膝推桿的推動(dòng)下沿直線滑軌繞抬膝銷軸進(jìn)行擺動(dòng)，膝部固定部分與患者下肢通過綁帶相連，帶動(dòng)患者下肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，完成踏步模擬，幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。該訓(xùn)練器具有主被動(dòng)兩種訓(xùn)練模式，可針對(duì)患者的不同情況由康復(fù)醫(yī)師自主選擇，同時(shí)在訓(xùn)練過程中，訓(xùn)練器可根據(jù)監(jiān)測(cè)到的患者腿部力量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整主被動(dòng)訓(xùn)練模式，保證患者進(jìn)行最為有效的下肢康復(fù)訓(xùn)練。

此訓(xùn)練部分充分考慮使用者身形不同的情況，在訓(xùn)練部分中設(shè)置了腳部調(diào)節(jié)裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，腳踏板機(jī)構(gòu)由腳踏焊接板、腳踏焊架、腳踏板、固定轉(zhuǎn)軸、踏板轉(zhuǎn)軸、鎖緊手柄、應(yīng)力傳感器、應(yīng)力傳感器控制板、拉力彈簧構(gòu)成。其中固定轉(zhuǎn)軸用螺釘固定于腳踏焊板之上，固定轉(zhuǎn)軸兩側(cè)分別安裝有踏板轉(zhuǎn)軸，踏板轉(zhuǎn)軸上面安裝有鎖緊手柄，可實(shí)現(xiàn)踏板轉(zhuǎn)軸在固定轉(zhuǎn)軸上的位置調(diào)節(jié)。腳踏焊架安裝在腳踏轉(zhuǎn)軸之上，可在腳踏轉(zhuǎn)軸上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，腳踏焊架上端焊接有球形鉸接件，腳踏板通過鉸接件安裝于腳踏焊架之上，可自由地調(diào)節(jié)腳踏板的角度，旁邊的鎖緊手柄起到鎖緊和調(diào)節(jié)的作用，腳踏焊架后端固定通過拉伸彈簧與應(yīng)力傳感器相連接，拉伸彈簧起到緩沖作用，提高人體在康復(fù)訓(xùn)練過程中的舒適度。應(yīng)力傳感器固定于腳踏焊板之上，當(dāng)患者進(jìn)行踏步訓(xùn)練動(dòng)作時(shí)，應(yīng)力傳感器可實(shí)時(shí)地將腳踏板受力情況進(jìn)行采集，首先傳遞給應(yīng)力傳感器采集卡，再由應(yīng)力傳感器采集卡傳遞給上位機(jī)控制系統(tǒng)，康復(fù)醫(yī)師可根據(jù)傳感實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)調(diào)整訓(xùn)練參數(shù)，制定康復(fù)計(jì)劃。

整個(gè)下肢訓(xùn)練部配有直線軸承與線性導(dǎo)向軸，腳踏裝置與下肢抬膝裝置通過導(dǎo)向軸及腳踏裝置高度調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿相連，整個(gè)下肢訓(xùn)練部分整體結(jié)構(gòu)如圖7所示，腳踏裝置通過高度調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿伸縮進(jìn)行縱向位置調(diào)整，使直線軸承沿線性導(dǎo)向軸滑動(dòng)，調(diào)節(jié)腳踏板的高度以滿足不同身高者的使用需求。

此外，為避免意外，保證使用者在訓(xùn)練時(shí)的人身安全，該訓(xùn)練器配有痙攣檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)在訓(xùn)練過程中瞬時(shí)電流變化進(jìn)而判斷患者腿部是否發(fā)生痙攣，在訓(xùn)練器上位機(jī)判斷使用者發(fā)生痙攣時(shí)，訓(xùn)練器立即減速、反向旋轉(zhuǎn)進(jìn)而緩慢停車，保證使用者人身不受傷害，在醫(yī)護(hù)人員使用者確認(rèn)使用者安全，判定痙攣解除后，手動(dòng)操作發(fā)出繼續(xù)訓(xùn)練指令，訓(xùn)練器在接到指令后將再次正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（四）床體部分

該康復(fù)訓(xùn)練器在水平放置時(shí)可供患者平躺并做訓(xùn)練前的準(zhǔn)備，該訓(xùn)練器床體由鋼管焊架加木質(zhì)床板組成，配有記憶棉床墊。進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，可通過電動(dòng)推桿作用調(diào)整與訓(xùn)練部所成角度以保證使用者可以以一種最為舒適的姿態(tài)進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練，床體部分配備懸掛綁帶，使用者通過綁帶將自身大部分重量懸掛于床體本體上。

該下肢站立康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計(jì)充分考慮人體工程學(xué)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，允許使用者最大身高200cm，最大負(fù)載170kg，最大腿部負(fù)載50kg，整體升降高度0mm～300mm，起立角度0°～90°，后仰調(diào)節(jié)角度0°～15°，可調(diào)節(jié)擺腿速度8～60 steps/min，均符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及人體工程學(xué)，適合下肢功能障礙患者使用。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的站立下肢康復(fù)訓(xùn)練器將廣泛應(yīng)用于下肢功能障礙患者的康復(fù)治療中。在訓(xùn)練開始前康復(fù)醫(yī)師可根據(jù)患者實(shí)際康復(fù)情況制定訓(xùn)練方案，設(shè)定數(shù)值，具有很強(qiáng)的針對(duì)性。同時(shí)，在訓(xùn)練中，設(shè)備可根據(jù)患者實(shí)際情況切換主被動(dòng)訓(xùn)練模式，以達(dá)到更好的訓(xùn)練效果，同時(shí)該訓(xùn)練器配有力傳感器和痙攣檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控患者康復(fù)過程中的狀態(tài)，保證使用者的使用安全。最后，該訓(xùn)練器可調(diào)整整體高度及起立角度，可滿足不同使用者使用需求。本次研發(fā)的產(chǎn)品技術(shù)含量較高，具有目前國內(nèi)市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品所不具備的相關(guān)功能，各項(xiàng)參數(shù)均符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及人體工程學(xué)，使用方便，安全可靠，市場(chǎng)前景廣泛。

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