老齡人群上肢康復訓練儀設計

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.010

摘" 要：基于對老齡人群上肢偏癱患者的研究現狀及階段性康復訓練對上肢康復的重要性，設計一種經濟型、智能化，面對家庭、社區的老齡人群上肢康復訓練儀。該設備以步進電機為動力源，以蝸輪蝸桿減速器、同步帶輪和傳動帶輪為傳動系統，并為設備提供動力傳遞，基于Kinect傳感器的控制系統，代替治療師的康復訓練，實現對患者訓練方案的優化，極大程度上解決治療師需求量大的問題。肘關節屈伸機構的設計實現對肘關節訓練過程中角度、前臂后臂長度參數的精確控制，最終設計出符合老齡人群的家庭型老齡人群上肢康復訓練儀，并通過三維仿真設計驗證其干涉情況及性能。

關鍵詞：人機工程學；上肢；康復訓練儀；經濟型；智能化

中圖分類號：TH122" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0038-04

Abstract： Based on the research status of elderly patients with upper limb hemiplegia and the importance of phased rehabilitation training to upper limb rehabilitation， an economical and smart upper limb rehabilitation training instrument for elderly people facing family and community is designed. The equipment uses stepper motor as power source， worm gear reducer， synchronous pulley and transmission pulley as transmission system， and provides power transmission for the equipment. The control system based on Kinect sensor replaces the rehabilitation training of therapists to optimize the training program of patients and solve the gap of great demand of therapists to a great extent. The design of the elbow flexion and extension mechanism realizes the accurate control of the angle and the length parameters of the forearm and back arm in the process of elbow joint training， and finally designs a family-type upper limb rehabilitation training instrument for the elderly， and its interference and performance are verified by three-dimensional simulation design.

Keywords： ergonomics; upper limb; rehabilitation training instrument; economical; intelligent

偏癱一般指一側上下肢的運動障礙，是急性腦血管的一個常見癥狀，其中上肢偏癱狀況最為常見[1]。數據顯示，中國每年發生腦卒中超過500萬例。偏癱患者中大約有36%的患者在腦卒中6個月后遺留上肢功能障礙，然而老齡患者占絕大部分，臨床多給予患者進行上肢訓練[2]。迄今為止，許多康復訓練都是通過治療師徒手操作完成的，因此存在一些問題：隨著上肢功能障礙患者不斷增多，治療師的需求量增大。然而，治療師長時間的重復動作容易肢體疲勞，導致治療動作不一致，會影響治療效果。因此訓練量難以量化，康復周期增長[3]。

對于上肢功能障礙的患者，若盡早進入功能性的康復訓練，會達到更好的效果。隨著康復訓練儀器運用于治療中，能減少治療師肢體疲勞的狀況。也可以代替治療師進行精準、重復、高效的訓練動作[4]。但是，康復治療儀器還存在著一些不足之處，如運動的柔性和安全性不足，缺少力反饋裝置等。因此，針對上肢各關節獨立運動的康復治療設備的研究引起了各國研究者們的重點關注[5]。

目前，上肢康復訓練主要是患者前往醫院使用醫院的康復儀器，需要治療師協助治療，同時還需配備相應的醫生調整訓練方案，成本較高。這種康復治療方案雖針對性強，患者可獲得更好的功能性治療，但其高昂的費用不適宜普通家庭，也無法在社區使用。本設計分析了目前市場上現有的康復訓練設備，引入人體測量學（屬于人機工程學范疇）對上肢數據進行分析[6]，設計一種面對家庭和社區的經濟型肘關節屈伸康復訓練儀器。

1" 老齡人群上肢康復訓練儀理論基礎

為了體現“以人為本”的設計理念，康復訓練儀引入人機工程學概念，將老齡人群上肢康復訓練儀置于“人-機-環境”系統中，同時結合康復心理學，可由患者自主靈活地選擇人為或自我康復訓練[7]，使得設計能更加符合老齡人群使用。

老齡人群上肢康復訓練儀是以人機工程學為理論依據，對人體的生理結構、骨骼特點、肢體尺寸和心理特征進行研究，人和機器配合適當，機器的整體尺寸應當與人體的外形尺寸相適應，手肘屈伸運動的角度范圍設定在人體肘關節運動范圍以內，屈伸機構的受力情況應當符合人體力學，使患者在康復訓練過程中從心理上真正接受這種新型的康復療法，且能靈活地操作。

2" 老齡人群上肢康復訓練儀方案設計

2.1" 康復訓練儀設計約束條件

上肢康復訓練儀是直接作用在人體上的醫療器材，所以在設計上要符合以下幾個約束條件要求。①安全性能要求：安全問題是上肢康復儀器設計過程中的最主要問題之一，其康復原理是在康復者的患肢上加上一個機器臂，通過機械臂的運動輔助患者完成康復訓練動作。在設計過程中除了要實現康復動作的完成，還要考慮到其安全性，防止患者在進行訓練的過程中患肢受到“二次損傷”。②運動功能設計要求：康復訓練儀最基本的設計要求是根據人體上肢的生理結構和人體力學，實現手肘部的自由度運動，根據人體上肢的生理結構可知肘關節處有一個自由度，所以設計時應有針對性地對此自由度進行功能定位和設計。③機構設計要求：機構設計是手肘康復系統的基礎，執行機構的設計應盡量簡潔，且靈活性高，盡可能實現機構關鍵尺寸的可調性來適應更多的患者。同時要根據康復運動的特性（非快速運動、變載荷、帶緩沖等）選擇合適的傳動系統和驅動系統。④輔助要求：作為一款面向特殊用戶使用的儀器，在人機交互時必須考慮到用戶的使用習慣、思維方式、心理特征等方面，要求產品要有一定的形態和舒適度，使患者在使用過程中更加方便和舒適。

2.2" 老齡人群上肢康復訓練儀方案設計流程

康復訓練儀是基于人機工程設計，從設計理論到裝配制造，其設計流程如圖1所示。

設備主要分系統包括：驅動系統、傳動系統、執行系統、控制系統，由上述分系統構成了老齡人群上肢康復訓練儀，如圖2所示。該設備主要設計思路：以步進電機、蝸輪蝸桿減速器、同步帶輪、Kinect傳感器及Arduino單片機等，實現標準化上肢康復訓練、云端智能化處理康復數據并輔助患者進行康復訓練等功能。

3" 老齡人群上肢康復訓練儀詳細設計

3.1" 驅動系統設計

目前，在所有設計和工程的應用中，驅動方式主要有3大類：電動式、氣動式和液壓式，該設備中所選用的是電動式。電機驅動對工作環境要求不高，且操作方便易于實現，所以是驅動方式選擇的最佳方案。

該設備選擇步進電機，是一類可以將脈沖信號轉化為角位移的開環控制的電機，屬于直流電機的一種類型，內部有多匝線圈，同時給多個線圈接上電，電機便轉過一定的角度，依次給每個線圈接電，電動機即會連續轉動。其轉速和轉向可以通過脈沖電流的頻率和順序來實現，甚至可以實現機構在任何位置的控制。

依據訓練儀的運動特點和患者的不同需求，訓練儀對電機也有角度和定位的要求，所以在滿足力矩的情況下，該設備選用步進電機作為驅動元件。

3.2" 傳動系統設計

老齡人群上肢康復訓練儀屬于外骨骼式康復訓練設備，本設備通過與患者肢體的多部位接觸，給患者的肢體施加外力和力矩，在康復訓練的過程中保持一定的動作和姿勢，通過動作的重復性和連續性達到患者的訓練目的。利用可以控制正反轉的步進電機作為驅動源頭，通過聯軸器連到蝸輪蝸桿減速器上（蝸輪蝸桿減速器可以實現減速、放大扭矩和自鎖）[8]，蝸輪蝸桿減速機輸出軸上連上同步帶輪，與上方的同步帶輪連接（同步帶輪傳動比恒定，效率高且沒有相對滑動）。其傳動系統結構如圖3所示。

3.3" 執行系統設計

該設備的執行系統為肘關節屈伸機構，采用的是外骨骼結構，在驅動過程中，由于力矩較大，可能承受整個小臂的重量會因為剛性不足，而發生意外事情，所以該設備考慮到了安全方面的因素，所以采用四桿機構[9]，如圖4所示。

在四桿機構中，小臂懸臂與驅動相連，四桿機構的運動帶動整個屈伸機構的運動，增強了系統的安全性和可靠性。四桿機構運用于肘關節的運動，機構運動只對小臂做功，因此傳遞的力矩小。通過同步帶傳動帶動齒輪嚙合，實現手肘部的屈伸運動。肘關節運動機構如圖5所示，可以適當地在傳動齒輪的外部加上防護設備，從而保證患者在訓練過程中的安全性。

3.4" 控制系統設計

該設備控制系統如圖6所示，Kinect傳感器分析患者進行每一項活動時的受力情況和活動范圍，通過身體跟蹤SDK獲取患者康復訓練時的速度、頻率、重心等動態參數的變化，獲取的各項參數值通過無線收發模塊（nRF24L01）和實時時鐘模塊（DS32331）接收信號發送到Arduino單片機，Arduino單片機處理后的相關數據可以通過 WIFI 模塊上傳數據到OneNET云平臺，患者家屬和醫護人員可實時監測患者康復訓練狀態。醫護人員可在OneNET云平臺查看患者各階段康復數據，并由S7-300控制模塊接收，將康復訓練數據運用于整個訓練儀的工作。

同時Kinect傳感器還具有語音API播報功能，將患者上肢康復訓練方案和訓練方法通過播報方式輔助患者進行康復訓練，解決治療師市場缺口大的問題，極大程度上減少了家庭的經濟負擔。無線發送模塊連接到指定的路由器與WIFI模塊連接，進而實現與OneNET云平臺云端服務器相連接，患者根據云端傳來的指令進行訓練；云端服務器通過TCP協議向控制模塊發送訓練方案，并且接收患者的運動軌跡，存儲資料提供給客戶端；手機客戶端從云端服務器讀取患者的數據并且進行處理分析，從而達到優化訓練方案的目的。

4" 結束語

綜上所述，該設備以人機工程學為理論基礎，結合康復心理學和家庭、社區的臨床康復需求，運用了機械產品設計[10]、機械制造與自動化技術與人工智能技術，設計一種以四桿機構為執行機構、以基于Kinect傳感器為控制系統的智能化、經濟型老齡人群上肢康復訓練儀。由于其具有的語音和身體跟蹤功能，可極大程度減少對治療師的需求量，患者也無需多次前往醫院進行康復治療，同時，醫護人員也可系統地得到患者康復數據，并制作出適合患者的階段性康復訓練計劃。雖然該設備的購買費用較低，外觀簡易，但是其上肢康復訓練的效果也可達到康復訓練要求，符合家庭和社區的使用設想，并且該設備實現智能化和數字化，顯著提高了上肢功能康復的效果。該設計的實施不但為上肢偏癱患者提供一種安全且無任何副作用的治療方案，并為家用的功能性康復設備的普及奠定了基礎，極大程度減少了治療師和醫護人員的勞動量，減少了康復周期，提升了康復訓練的效率，減輕患者的家庭負擔，具有廣闊的市場前景。

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基金項目：江蘇省高等學校優秀科技創新團隊（江蘇教科函〔2019〕7號）；無錫職業技術學院大學生創新創業訓練計劃項目（202210848041Y）

*通信作者：馬蘇常（1968-），男，博士，教授。研究方向為數字化設計與制造技術。