新型可折疊式腿部康復儀的設計

（衢州學院機械工程學院，浙江衢州市，324000） 虞欣粵 王 濤 張海林 楚善騰 徐秦領

隨著近年來我國邁入人口老齡化社會速度的加快，因中風等疾病而導致行動不便，甚至癱瘓的老人數量正在逐年增加[1-3]。相關研究表明，對肢體進行反復的被動訓練，有利于增強傷殘人士肌肉的韌性，防止肌萎縮[4]，對其康復進程有積極的促進作用。

1 設計方案

可折疊腿部康復儀主要包括三部分：滾珠絲桿裝置、鉸鏈四桿機構、角度調節裝置。產品整體結構如圖1所示，本裝置的工作原理如下：先將螺母套筒與絲桿拼合，旋轉旋鈕，絲桿固定轉動，螺母套筒做旋進運動，通過改變絲桿與螺母套筒合并的直線長度來控制上層支架的傾斜角度。當傾斜角度調節合適后，用定位銷將U型支架固定，防止U型支架的轉動。接著啟動步進電機，通過控制步進電機的正反轉，實現滾珠絲桿上的滑塊做來回直線運動，進而拖動腳托做反復的抬升運動。當使用完后，將腳托向內旋轉，實現腳托的折疊收縮。旋擰角度調節裝置上的旋鈕，實現絲桿、螺母套筒的拆解收縮，接著拔下定位銷。裝置完全收縮后呈平板形狀，整體輕盈，便于攜帶，且閑置時占地面積小。

圖1 產品整體效果圖

2 滾珠絲桿裝置

滾珠絲桿裝置主要由滾珠絲桿，滑塊，兩側對稱滑軌，支撐塊，球軸承構成。支撐塊固定在上層支架底板上，內側嵌有球軸承，滾珠絲桿穿過球軸承。滾珠絲桿的一端通過聯軸器與步進電機相連，絲桿上有特制的滑塊。兩側對稱滑軌限制滑塊的旋轉運動，使滑塊只有一個直線自由度。滾珠絲桿作為主動件，滑塊做為被動件[7]，滑塊隨著滾珠絲桿的轉動角度，按照相應的導程做旋進直線運動[8]。

滾珠絲桿的軸向載荷計算：

假定一個老人的體重為50kg，他的單側下肢質量為8kg，加上腳托的質量，滑塊所承受的質量在9kg 左右，將上層支架與下層支架的角度調整到一個90°的極限角度。

式中，Fmax為滾珠絲桿受到的軸向力，單位為N；m為單側下肢加腳托的質量，單位為kg；g為重力加速度，單位為N/KG。經計算，絲桿的軸向載荷為88.2N。

滾珠絲桿的轉矩計算：

式中，T 為絲桿的轉矩，單位為N?m；Fmax為絲桿受到的軸向力，單位為N；d為絲桿直徑，d=1cm；ρ '為絲桿當量摩擦角，ρ '= 0.1432°；Ψ 為螺旋升角，單位為度。

式中，S為絲桿導程，S=0.015m/r；d為絲桿直徑，d=1cm，可知Ψ 為0.44 度，由以上兩式可得，滾珠絲桿的轉矩為1.1 642N?m。

3 鉸鏈四桿機構

兩個連桿、腳托與滑塊可以看作是一個鉸鏈四桿機構。腳托、長短連桿與滑塊之間都通過銷子進行連接。當裝置伸開或收縮時，以兩連桿的連接點作為旋轉中心，兩連桿繞旋轉中心進行相對旋轉[9-11]，實現腳托與上層支架角度90°的變化。

連桿的受力分析：

腳托與單側下肢的質量為G，上層支架與下層支架的角度為α，連桿與鞋托的角度為β。

公式中，F為連桿所受拉力，單位為N；G為腳托與單側下肢的重質量，單位為N；α為上層之架與下層之架的夾角，單位為度；β為連桿與鞋托之間的夾角，單位為度。

4 角度調節裝置

角度調節裝置由U 型架、旋鈕、絲桿、套筒構成。使用時，先將絲桿一頭對準螺母套筒口處。不經任何旋進時，可以達到上層支架垂直與地面。根據老人使用時，坐的位置高度，以及老人腿的長度，只需要旋轉旋鈕，使螺母套筒做旋進運動[12]，改變絲桿與螺母套筒的合并長度，進而達到自行調節上層支架的傾斜角度的效果。接著插上定位銷，實現U型架的角度固定。使用完畢后，可以反向旋轉旋鈕，將絲桿與螺母套筒拆解分離，再拔出定位銷，實現上層支架的收縮。

5 結語

該產品總體采用鋁合金框架構成，使整體的重量更加輕盈。應用的滾珠絲桿裝置，使傳動效果更加穩定，傳動比更加精確，摩擦系數小[13]，避免了一些因為裝置工作誤差對老人進行二次傷害。