基于殘疾康復群體的一種上臂輔助機械

張晨宇 孟紫雯 劉文昊

摘? 要：目前我國的殘障數占總人口的6.34%，其中大部分患者有殘疾康復的需求。針對社會需求，設計了一款針對上肢殘疾患者使用的家用康復產品。設計的上臂康復機械是一個幫助患者康復的穿戴設備，患者將其穿戴在手臂上時，手臂固定處的傳感器會感應患者施加的力并通過電動機帶動機械使手臂彎曲，或通過藍牙連接機械進行遠程操控，協助患者做出相應動作，達到鍛煉手臂的目的。

關鍵詞：康復；輔助機械；上臂；殘疾

中圖分類號：TP212? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）07-0154-04

Abstract： At present， the number of disabilities in China accounts for 6.34% of the total population， most of whom have the need of disability rehabilitation. According to the social needs， a household rehabilitation product is designed for patients with upper limb disabilities. The upper arm rehabilitation machinery is a wearable device to help patients for rehabilitation. When the patient wears it on the arm， the arm fixed sensor will sense the force of patient and drive the machinery to bend arm through the electric motor， or connect machinery through bluetooth to conduct remote control， so as to assist patients to make corresponding action and achieve the purpose of exercising the arm.

Keywords： rehabilitation; auxiliary machinery; upper arm; disability

0? 引? 言

我國的殘障數達到了8500萬人，成為了世界上殘疾人口最多的大國，殘疾人成為了社會，國家，以及每個家庭都需要關注的群體。在殘疾人群體之中，肢體殘疾群體占比最大，約為30%[1]。我們團隊基于這樣一個大背景下，研究了此產品。我們的產品主要關注點在術后康復的患者人群。此類人群將通過我們產品的輔助，達到有效的康復[2，3]。

1? 產品介紹

本產品是一個集傳感器、無線傳輸技術、自動化控制技術、物聯網下智能化控制等為一體的助老助殘康復機械。它的主要研究內容如下：

1）機構主體以6061-T6為主要材料，并根據大量考察和數據研究設計出符合人體工程學的機構。創新的以類似于傘骨的連桿機構實現了大臂帶動小臂的角度變化。

2）控制系統：采用壓力傳感器和遠程控制共同作用，當傳感器感受到使用者所施加的微小的力后就會將信息傳輸給開發板，同時開發板將信號傳輸給電機驅動機構運轉帶動小臂運動。同時使用者還可以通過手機藍牙連接機械遠程操控電機轉動速度的快慢，以達到輔助使用者彎曲手臂或施加反力達到鍛煉手臂的目的。

3）物聯網與手機APP設計，使用者使用手機APP可以接收到通過傳感器接收到的患者施加的力，可以使使用者直觀的看到自己的康復狀態。APP還可以給予使用者需要的提示和幫助。

4）產品外觀設計，產品外觀設計需符合大眾審美并能適用于不同年齡段的人群。

2? 機構分析與工作原理

如圖1所示，上臂輔助康復機械以步進電機為動力原件帶動絲杠旋轉，由于絲杠是固定在板一與板二之間，同時板一與板二剛性連接在下板上。在步進電機啟動后，馬達連接刀架作軸向回轉動作，并且刀架旋轉絲杠螺母座作垂直運動，此時螺母座拉動連桿5與連桿1，連桿5與關節1組成二桿機構，并拉動關節1繞下板固定軸心旋轉；同時絲桿螺母座拉動連桿1，連桿1拉動由關節1，連桿2，連桿41及連桿42組成的四桿機構，且在與連桿5拉動關節1的配合下，使關節1相對小臂做旋轉運動，同時將老人大臂與下板固定，小臂與小臂板固定，實現輔助伸縮手臂的目的。

3? 控制系統

本產品采用了Arduino數字單片機系統。Arduino是一個非常簡單易上手的開源電子設備原型平臺。它可以和多種常見的電子元件相連，如各類感應器、伺服電機、手舵機，或者任何輸入/輸出裝置[4]。Arduino控制器能夠同時使用三個不同位置的獨立的傳感器接口來連續接收處理各種環境數據，而在接收器位置上獨立的微控制器接口能夠首先使用基于Arduino語言的程序設計語句來快速完成程式碼的編制，繼而完成翻譯數據并自動導出到二進制數據，再自動燒錄輸出到微控制器。對嵌入式Arduino系統的程序設計通常也是直接使用Arduino的程序設計語句（基于Wiring）和Arduino設計條件（根據Processing）來完成的。基于Arduino技術的開源項目，可能是僅只包括了Arduino，也很可能僅僅包括了Arduino和另外的幾個能夠同時在一臺PC主機上工作運行的開源應用軟件，透過它們相互之間進行交流（例如Flash，Processing，MaxMSP）來達成。本產品采用了Arduino家族中的Arduino UNO單片機，處理器核心為ATmega328[5]，同時擁有十四路IO口及十六MHz的晶體振蕩器、usb口、供電插口、ICSP-header、復位按鍵等各一[4]。本設計中，由Arduino單片機負責處理各種傳感器信息，并利用伺服電機驅動模塊傳遞脈沖信號以完成電動機的轉速調節，控制系統簡圖如圖2所示。

4? 主要模塊介紹

4.1? 傳感器控制模塊

感應器主要由關節壓力傳感器和手腕壓力傳感器組成。一個氣壓傳感器讀取手臂固定部分的實際氣壓，從角度傳感器的歐拉角輸出確定手腕的扭轉角度，并將數據發送到arduino微控制器以調整電機的速度[4]，機構隨著手臂的轉動而轉動。

4.2? 數據傳輸模塊

數據傳輸模塊采用blinker。Blinker提供包括了對當前可用網絡的一些最普遍常見的網絡接入和解決方案的全面支持，如藍牙，Wi-Fi，NBiot/GPRS，并且還可以同時適應目前大多數的物聯網應用站點的要求。藍牙模塊連接單片機后，將字節數據發送給上位機連接到arduino單片機上的功能，實現單片機遠程遙控調速等功能實現；同時，Arduino單片機還可以將電機控制、傳感器力等信息回傳給用戶客戶端，并轉化為有用的信息。遠程控制調速系統不僅是可以大幅度減少由于自動控制調壓系統帶來的人工操作失誤[6]，還為用戶帶來必要的信息，反饋給用戶有價值的信息，從而增加了設備的智能性和安全性。

4.3? 電機驅動模塊

考慮到在手臂關節處驅動小臂所需的扭矩比較大，而這臺機器是用于助老或康復醫療設備，但還沒有建立精確的機構運動學機構模型，所以下一步將對整個裝置進行系統的仿真實驗，建立詳細的運動學模型，然后選擇合適的電機驅動。

5? 總體尺寸設計

由于它的穿著方便和結構精巧，團隊發現以下尺寸最適合人體舒適度 經過研究。本產品總長度為500 mm，最大寬度為60 mm，最大高度為123 mm。

5.1? 小臂外形尺寸

外形尺寸為了使小臂能夠抬起的裝置，固定小臂的機構應該適應大多數老年人小臂的長度。不能超過手腕，也不能短到肘部，所以小臂板的總長度為175 mm，考慮到省力等因素，小臂板的寬度為30 mm，厚度為10 mm，以舒適性和美觀度為基礎。

5.2? 大臂外形尺寸

大臂的機構為吊臂的運動提供動力，根據我們的調查和美觀度的實際情況，我們將大臂的總體尺寸設定為200 mm。

5.3? 關節處外形設計尺寸

本發明考慮到肘部彎曲時剛性結構彈性小等特點，采用類似傘骨的連桿機構，可以達到大小臂聯動的目的，增加了大臂和小臂彎曲時的穩定性和彎曲時機構的總長度。機構在接縫處平放時總長。

6? 材料強度校驗

本設計采用用6061-T6進行制作。6061-T6高強度、硬度大（HB可達90度以上），具備良好的機械加工性能，且抗氧化能力較好。無沙眼吻突，表面平整度也較高。提高了產品品質，降低了原材料生產成本。這同時也是中低價值，高品質建筑材料的最好選用。6061-T6系統主要是鋁、鎂、硅等合金，屬于一次熱加工型的抗銹蝕型合金。強度與耐腐蝕性能較弱，但均勻性能皆良好。

6.1? 板抗彎強度校核

板件許用應力σ=205 Mpa，圖3～圖5分別為均布載荷分布圖、剪力沿軸線的變化規律圖以及彎矩沿軸線的變化規律圖。

d1=150 mm，d2=60 mm

b，h分別表示板件的長和寬，對應d1與d2；Iz表示截面對中心軸的慣性矩；Mmax表示最大彎矩；q表示均布載荷；σmax表示最大許用應力；Ymax表示梁截面上下邊緣到中心軸的距離。

6.2? 螺栓的強度校核

應用M5螺栓，螺栓性能等級為5.6。

其中，σs表示屈服極限，s，sn表示安全系數，τs表示剪切屈服極限。

7? 競爭力分析與產品前景

7.1? 競爭優勢

7.1.1? 精巧的產品結構

我們團隊開創性的設計將導軌絲杠和類似傘骨結構的連桿組織精密的結合起來，導軌絲杠的磨擦損失較低，傳動控制系統有效率，準確度高，軸向硬度好，同時具有高傳動扭轉性的優點與連桿組織的設計相對簡便，承載能力大，適宜康復運動這種中低速的運動的特性巧妙地融合在一起，避免了冗余的機械結構對控制驅動系統的高要求以及其產生的多余的重量對使用者產生的不適，產品原型實物圖如圖6所示。

7.1.2? 創新的材料選擇

此產品采用6061-T6材料，這種材質的主要合金元素是鋁和硅，高強度，高硬度，具有優秀的耐蝕、可焊性，抗氧化功能較好。優秀的焊縫特點，氧化功能好。無砂眼吻突，平整度較好[7]。這同時也是所有低價值，高質量材料中的最好選擇。產品廣泛應用于家具及機械零件，精密制造，模具等行業。但考慮到康復過程是個比較長期的工程，對機器的消耗也不能減少，因此更換零部件比較不現實，所以抗磨損，高強度高硬度的6061-T6就是一種不二選擇。

7.2? 產品前景

中國殘疾死亡原因以后天獲得性傷殘為居多，非傳染病致殘也占有較大比例，先天性傷殘則不足百分之十，而且存在著較大的區域、城鄉和性別差異；各個年齡階段的存在不同的死亡危險，非感染性疾病死亡和創傷及傷害死亡的可能性隨著年齡增加逐漸上升。

傳統醫療手法分為活動恢復、作業恢復、心靈理療、牽拉、言語、中醫等療法手法，現代醫療儀器則主要分為光、電、音、電、熱、冷、機械和物理因子綜合療法的儀器，另外還有站立床、吊床、單雙杠教學、拉力器、大功率車等簡易的動作恢復練習儀器和運動精神心理練習儀器，科技濃度都很低。但近年來，隨著科技發展水平的日益提升，系統的動作恢復練習醫療手法也在進一步提升，醫療功能日益增強。因此，在電刺激療法中，產生了多波形和調制技術、功能性電激發技術、雙側控制鏡像式電激發技術、新型人體工程學技術和無菌化的耗材技術、大數據分析和人工智能技術、人工智能輔助評價和藥物推薦等多項創新技術，有效增強了電激發技術的醫療作用。在電生理學中，近年來還利用了機器人視野、虛擬現實等新技術進行了三維空間的虛擬現實練習，提高了病人的沉浸性。

隨著現代科學技術的持續發展和提高，多種新興健康醫療技術也逐步得到了開發和商業化使用，其中最具標志性意義的便是經顱磁刺激技術、健康機器人技術，以及人工智能技術在健康醫學中的廣泛應用。由于經顱磁刺激技術擁有高強度、高穿透力、無侵入感、無痛沖擊等優點，并作為防治精神疾病和神經病變的一項重要核心技術，2008年美國FDA首次允許了經電磁刺激技術進行對抑郁的診斷。近年來，由于經電磁深度和對焦、導航定向等新興技術的廣泛應用，經顱磁刺激技術對抑郁、帕金森病等精神疾患的診治有效性也日益增強。影像輔助的導航與定位系統、刺激線圈的機械臂主動追蹤等，創新科技的運用可以增強醫生對腦部靶點治療位置的精確度，進而改善臨床效果。

8? 結? 論

以上開發介紹的一種上臂康復輔助裝置，適用范圍受限以及使用時裝置調整較為繁瑣等問題都得到了解決。該康復器械在傳感器上使用了壓力角度傳感器共同采集數據，在控制上采用遠程和感應控制，與市面上現存康復器械相比獲取信息更為準確且智能化程度更高。

參考文獻：

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[3] 石松隆和，姜楠，高島亮，等.上肢殘疾者的助力輔助裝置 [J].機械設計與研究，2009，25（1）：38-39.

[4] 劉恒，宋愛平，陳俊宇，等.基于Arduino的穿戴式外骨骼助力裝置設計 [J].工業控制計算機，2020，33（8）：137-139.

[5] 馬列，劉陽，董志鵬，等.基于Arduino的太陽能電池板最大光功率跟蹤系統 [J].沈陽工程學院學報：自然科學版，2019，15（1）：68-72.

[6] 何炳蔚，張月，鄧震，等.醫療機器人與醫工融合技術研究進展 [J].福州大學學報：自然科學版，2021，49（5）：681-690.

[7] 周培東，曹珍珠，武鑫鑫，等.淺談鋁合金材料在附著式升降腳手架中的應用 [J].建筑機械化，2021，42（10）：72-75.

作者簡介：張晨宇（2003—），男，漢族，湖南常德人，本科在讀，研究方向：機械設計制造及其自動化。