多功能手指關節康復儀的設計

周春臨，張紅健，李 芳，張新躍

ZHOU Chun-lin,ZHANG Hong-jian,LI Fang,ZHANG Xin-yue

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

據衛生部統計，目前我國有不同程度的手指關節功能障礙的患者高達1000萬以上。我們研發的康復儀集手部關節推拿按摩、紅外線放射療法和磁感應療法于一體，是一種新型的醫療康復儀器。主要用于各種原因引起的手指關節不能自由活動患者的手指關節功能康復治療。能有效防止手指關節壞死、肌肉萎縮，促進血液循環，刺激手指神經系統，使手指關節早日恢復功能。

1 設計方案

多功能手指關節康復儀由機械部分、紅外線發射部分、磁感應治療部分和可調速直流電源組成。其中，電機轉速可調，紅外線強度可調，推拿按摩力度可調。電機帶動執行元件和傳動機構工作，實現手指關節的屈伸和按摩功能。

1.1 凸輪機構設計

1）電機的選擇

選用PM-33ZYJ永磁直流減速電機，其功率為1.5W～3.5W，轉速為1r/min～1000r/min，最大輸入電壓為12V。

2）凸輪柱結構設計

（1）從動件運動規律的設計

根據按摩受力的要求，參考機械設計手冊，對凸輪采用了等加速等減速運動規律。

（2）凸輪輪廓曲線的設計（反轉法設計原理）

使整個機構以角速度(-w)繞O轉動，其結果是從動件與凸輪的相對運動并不改變，但凸輪固定不動，機架和從動件一方面以角速度(-w)繞O轉動，同時從動件又以原有運動規律相對機架往復運動。根據這種關系，可以求出一系列從動件尖底的位置。由于尖底始終與凸輪輪廓接觸，所以反轉后尖底的運動軌跡就是凸輪輪廓曲線。

根據一般患者手部的大小和推拿按摩過程中手指屈伸的角度、凸輪對手部的理論作用力、理論推拿按摩面積和反復實驗修正，運用反轉法原理設計凸輪柱結構尺寸如圖1所示。

圖1 凸輪柱結構圖

1.2 工作時凸輪和柔性托板對手部作用受力分析

當U＝12V時，凸輪轉速n＝40r/min，P ＝3.5W，凸輪遠休端手部受力最大。經計算得F＝12.6 N。同理，當U = 6V時，凸輪轉速為n＝20r/min，P＝1.5 W，時手部受垂直力：F2＝18.29 N。通過調節電機轉速和可調節性柔性托板，患者可選擇適宜自己的按摩力度。患者使用時宜把柔性托板調到較低點，使柔性托板作用手部的力最小，然后再根據自己情況適當改變力度。同時，兩電機的工作檔位也宜從最低檔位開始。

圖2 凸輪對手部的伸張力分析

1.3 凸輪柱水平往復運動過程手部受力分析

圖3 凸輪水平往復運動的受力分析

根據理論力學原理可知：當傳動機構位于圖3所示位置時，凸輪柱的水平速度最大，此時，vb＝va。當U＝12V時，電機功率為P＝3.5W，經一級皮帶減速，曲柄的轉速為n＝34r/min，計算得到Fb＝79.55 N；當U＝6V時，電機功率為P＝1.5 W，曲柄輪的轉速為n＝12r/min，計算得到 Fb＝ 95.54 N。

2 總體方案的確定

2.1 各分功能結構的組成

1）凸輪柱由凸輪軸、凸輪片、直徑為3毫米的銅柱和若干個活動小滾珠組成；

2）曲柄滑塊機構由曲柄軸、曲柄輪、連桿和凸輪組成；

3）電機的選擇帶傳動機構由帶輪軸、帶輪和皮帶組成；

4）可調節性柔性托板機構由托板、彈簧、螺栓、三角托板、帶傳動組（V帶傳動，采用張緊輪張緊）和旋轉撥動輪組成；

5）紅外線裝置由電路板、21個紅外線發射管和24個普通發光二極管組成；

6）磁療裝置由安裝在儀器底座上4個固定磁塊和在凸輪柱內部的2個磁塊組成；

7）電源電路裝置由交流變壓器（輸出電壓12V）、單片機、繼電器、液晶顯示器、電機轉速調節板等組成。

2.2 工作原理

圖4 凸輪傳動原理圖

可調速電機2通過凸輪軸帶動凸輪柱旋轉，與柔性托板機構共同對手指進行按摩。可調速電機1與帶輪軸連接，經過一級皮帶減速后，通過曲柄連桿機構帶動凸輪柱作水平往復運動和可調節性柔性托板一起實現手指關節的屈伸運動。安裝在機體后內側的紅外線裝置在按摩過程中發光發熱，促進患者手部的血液循環，增強了按摩效果。在按摩過程中，由于磁體自身運動角度的變化，產生循環的交變磁場，與手指關節的屈伸、推拿按摩、紅外線放射療法四位合一，康復效果好。

3 方案評價

3.1 各功能元的評價

3.1.1 凸輪機構

凸輪的自轉運動和水平往復運動合成的復合運動實現手指的屈伸，用凸輪邊緣表面鑲嵌的小滾珠和可調節性柔性托板來實現對手指的按摩功能，且利用活動小滾珠自身的轉動減少了按摩過程中手部所受的摩擦力，安全性好。

3.1.2 紅外線放射療法

紅外線對人和生物體有熱效應，這種熱效應可以促進血液循環和新陳代謝，從而使人的疾病得到醫治和促進人的健康。

3.1.3 磁感應療法

實驗研究與臨床實踐證明，磁場對人體有多種治療作用，包括調整神經功能、恢復代謝功能、增強抗病能力、消除疼痛、降低血脂等。磁療滿足了康復治療過程中的實際需要。

3.1.4 控制電路裝置

該裝置主要用于控制康復儀的工作時間，通過操作不同的按鈕可以實現對康復儀的工作時間的智能控制，患者可根據自身狀況選取推拿按摩時間，安全性好，極大地方便了患者及其家屬。

3.1.5 推拿按摩力度控制機構

由于不同的患者對推拿按摩力度的需要不同，我們設計了柔性托板控制機構。通過調節控制機構的撥動輪來實現彈簧的垂直運動，從而牽制柔性托板的上升和下降，達到調節按摩力度的目的。

3.2 整體系統的評價

多功能的手指關節康復儀具有很多優勢：填補了國內市場的空白；操作簡單，安全可靠；經濟性好，實用性強；應用范圍廣，老少皆宜；市場前景廣。

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