老龄人群上肢康复训练仪设计.pdf
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1、2023 年 32 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application老龄人群上肢康复训练仪设计吕宗龙1,王垚垚1,2,马苏常1,2*(1.无锡职业技术学院 机械技术学院,江苏 无锡 214121;2.江苏省智能产线技术及装备工程研究中心,江苏 无锡 214121)偏瘫一般指一侧上下肢的运动障碍,是急性脑血管的一个常见症状,其中上肢偏瘫状况最为常见1。数据显示,中国每年发生脑卒中超过 500 万例。偏瘫患者中大约有 36%的患者在脑卒中 6 个月后遗留上肢功能障碍,然而老龄患者占绝大部分,临床多给予患者进行上肢训练2。迄今为止,许多康复训练都是通
2、过治疗师徒手操作完成的,因此存在一些问题:随着上肢功能障碍患者不断增多,治疗师的需求量增大。然而,治疗师长时间的重复动作容易肢体疲劳,导致治疗动作不一致,会影响治疗效果。因此训练量难以量化,康复周期增长3。对于上肢功能障碍的患者,若尽早进入功能性的康复训练,会达到更好的效果。随着康复训练仪器运用于治疗中,能减少治疗师肢体疲劳的状况。也可以代替治疗师进行精准、重复、高效的训练动作4。但是,康复治疗仪器还存在着一些不足之处,如运动的柔性和安全性不足,缺少力反馈装置等。因此,针对上肢各关节独立运动的康复治疗设备的研究引起了各国研究者们的重点关注5。目前,上肢康复训练主要是患者前往医院使用医院的康复仪
3、器,需要治疗师协助治疗,同时还需配备相应的医生调整训练方案,成本较高。这种康复治疗方案虽针对性强,患者可获得更好的功能性治疗,但其高昂的费用不适宜普通家庭,也无法在社区使用。本设计分析了目前市场上现有的康复训练设备,引入人体测量学(属于人机工程学范畴)对上肢数据进行分析6,设计一种面对家庭和社区的经济型肘关节屈伸康复训练仪器。摘要:基于对老龄人群上肢偏瘫患者的研究现状及阶段性康复训练对上肢康复的重要性,设计一种经济型、智能化,面对家庭、社区的老龄人群上肢康复训练仪。该设备以步进电机为动力源,以蜗轮蜗杆减速器、同步带轮和传动带轮为传动系统,并为设备提供动力传递,基于 Kinect 传感器的控制系
4、统,代替治疗师的康复训练,实现对患者训练方案的优化,极大程度上解决治疗师需求量大的问题。肘关节屈伸机构的设计实现对肘关节训练过程中角度、前臂后臂长度参数的精确控制,最终设计出符合老龄人群的家庭型老龄人群上肢康复训练仪,并通过三维仿真设计验证其干涉情况及性能。关键词:人机工程学;上肢;康复训练仪;经济型;智能化中图分类号院TH122文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤32-0038-04Abstract:Based on the research status of elderly patients with upper limb hemiplegia and the impo
5、rtance of phasedrehabilitation training to upper limb rehabilitation,an economical and smart upper limb rehabilitation training instrument for elderlypeople facing family and community is designed.The equipment uses stepper motor as power source,worm gear reducer,synchronous pulley and transmission
6、pulley as transmission system,and provides power transmission for the equipment.The controlsystem based on Kinect sensor replaces the rehabilitation training of therapists to optimize the training program of patients andsolve the gap of great demand of therapists to a great extent.The design of the
7、elbow flexion and extension mechanism realizesthe 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 perfor
8、manceare verified by three-dimensional simulation design.Keywords:ergonomics;upper limb;rehabilitation training instrument;economical;intelligent基金项目:江苏省高等学校优秀科技创新团队(江苏教科函 2019 7 号);无锡职业技术学院大学生创新创业训练计划项目(202210848041Y)*通信作者:马苏常(1968-),男,博士,教授。研究方向为数字化设计与制造技术。DOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.01038
9、-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期1老龄人群上肢康复训练仪理论基础为了体现“以人为本”的设计理念,康复训练仪引入人机工程学概念,将老龄人群上肢康复训练仪置于“人-机-环境”系统中,同时结合康复心理学,可由患者自主灵活地选择人为或自我康复训练7,使得设计能更加符合老龄人群使用。老龄人群上肢康复训练仪是以人机工程学为理论依据,对人体的生理结构、骨骼特点、肢体尺寸和心理特征进行研究,人和机器配合适当,机器的整体尺寸应当与人体的外形尺寸相适应,手肘屈伸运动的角度范围设定在人体肘关节运动范围以内,屈伸机构的受力情况应当
10、符合人体力学,使患者在康复训练过程中从心理上真正接受这种新型的康复疗法,且能灵活地操作。2老龄人群上肢康复训练仪方案设计2.1康复训练仪设计约束条件上肢康复训练仪是直接作用在人体上的医疗器材,所以在设计上要符合以下几个约束条件要求。淤安全性能要求:安全问题是上肢康复仪器设计过程中的最主要问题之一,其康复原理是在康复者的患肢上加上一个机器臂,通过机械臂的运动辅助患者完成康复训练动作。在设计过程中除了要实现康复动作的完成,还要考虑到其安全性,防止患者在进行训练的过程中患肢受到“二次损伤”。于运动功能设计要求:康复训练仪最基本的设计要求是根据人体上肢的生理结构和人体力学,实现手肘部的自由度运动,根据
11、人体上肢的生理结构可知肘关节处有一个自由度,所以设计时应有针对性地对此自由度进行功能定位和设计。盂机构设计要求:机构设计是手肘康复系统的基础,执行机构的设计应尽量简洁,且灵活性高,尽可能实现机构关键尺寸的可调性来适应更多的患者。同时要根据康复运动的特性(非快速运动、变载荷、带缓冲等)选择合适的传动系统和驱动系统。榆辅助要求:作为一款面向特殊用户使用的仪器,在人机交互时必须考虑到用户的使用习惯、思维方式、心理特征等方面,要求产品要有一定的形态和舒适度,使患者在使用过程中更加方便和舒适。2.2老龄人群上肢康复训练仪方案设计流程康复训练仪是基于人机工程设计,从设计理论到装配制造,其设计流程如图 1
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