被動(dòng)式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)

■杭州英特外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 戴瑋廷 齊亞坤

有一次，我的好朋友踢足球時(shí)摔倒了，導(dǎo)致腿部骨折，不得不打石膏固定一段時(shí)間。

我陪他做康復(fù)訓(xùn)練時(shí)注意到了橢圓機(jī)。能否將其改進(jìn)后用于康復(fù)訓(xùn)練，幫助下肢功能受損的人快速康復(fù)？

一、設(shè)計(jì)要求

被動(dòng)式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)適用于術(shù)后可站立的人，能模擬正常人行走時(shí)的步態(tài)，最大承重可達(dá)80kg，占地面積應(yīng)小于1m2。可設(shè)置訓(xùn)練次數(shù)與頻率，訓(xùn)練時(shí)的噪聲要小。

二、設(shè)計(jì)方案

被動(dòng)式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)由單片機(jī)控制系統(tǒng)、步態(tài)控制結(jié)構(gòu)、腳踏板姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)三部分組成。單片機(jī)可控制減速電機(jī)的速度，電機(jī)轉(zhuǎn)速由測(cè)速傳感器反饋給單片機(jī)，就可得到訓(xùn)練的速度與時(shí)間。

腳踏板前、后兩側(cè)裝有壓力傳感器，可測(cè)量腳掌的前、后受力情況，收集運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)，以便參考。

三、電子硬件部分

1.單片機(jī)

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

選取Arduino UNO 的主要原因在于其小巧、高效，符合多點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)小、精、準(zhǔn)的要求。另外，它可以同時(shí)對(duì)不同的傳感器執(zhí)行編程命令，并將其完美結(jié)合。

2.壓力傳感器

薄膜式壓力傳感器可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單、安裝方便，能精確地測(cè)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(biāo)鋁型材，它重量輕，防腐能力強(qiáng)，處理性能良好，易于組裝及改變接口位置。

4.直線導(dǎo)軌

滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌抗磨損，精度高，易拆卸，組裝簡(jiǎn)單，它能支撐、引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件按指定的方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

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(cè)量腳踏板與水平面的夾角，且不占空間，穩(wěn)定性極強(qiáng)。

四、整體結(jié)構(gòu)

1.曲柄結(jié)構(gòu)

曲柄結(jié)構(gòu)通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)傳導(dǎo)至曲柄，可使腳踏板前后擺動(dòng)。

2.直線滑軌結(jié)構(gòu)

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

3.腳踏板結(jié)構(gòu)

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

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

五、程序設(shè)計(jì)

被動(dòng)式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)的程序設(shè)計(jì)如圖2 所示，在每一步電機(jī)動(dòng)作后加入查停程序，增大了可控性，達(dá)到可隨動(dòng)、隨停的效果，避免使用中由于未能及時(shí)停機(jī)而導(dǎo)致事故發(fā)生。

此外，訓(xùn)練機(jī)上的兩個(gè)電位器可分別讀取訓(xùn)練的次數(shù)與速度，電機(jī)上的編碼器可讓機(jī)器判斷是否達(dá)到該值。開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)后，主控根據(jù)編碼器反饋的轉(zhuǎn)速改變PWM 信號(hào)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定的要求，踏板運(yùn)行完成指定的次數(shù)后，程序結(jié)束。

圖2 程序流程圖

圖3 空載測(cè)試圖

六、系統(tǒng)的測(cè)試和結(jié)果分析

1.空載測(cè)試

首先測(cè)試控制系統(tǒng)，隨后進(jìn)行空載測(cè)試。開(kāi)啟相應(yīng)的運(yùn)行模式，訓(xùn)練機(jī)能以每分鐘60 次的步頻運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)異常反應(yīng)，并能根據(jù)控制調(diào)節(jié)步頻轉(zhuǎn)換運(yùn)行頻率。

2.負(fù)載測(cè)試

選取5 名不同體重的測(cè)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(jìn)行測(cè)試。

結(jié)果表明，每名測(cè)試者均能在訓(xùn)練機(jī)上正常行走，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

七、進(jìn)一步改進(jìn)

被動(dòng)式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性高，便于維護(hù)，能有效幫助做了下肢手術(shù)的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

1.增加更多的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，例如調(diào)節(jié)滑軌傾角的結(jié)構(gòu)，讓訓(xùn)練機(jī)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(lái)分析用戶的康復(fù)狀況。

3.結(jié)合傳感器反饋的智能控制算法，達(dá)到全自動(dòng)控制，根據(jù)身體信息優(yōu)化康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃。