多功能手指关节康复仪的设计

周春临，张红健，李 芳，张新跃

ZHOU Chun-lin,ZHANG Hong-jian,LI Fang,ZHANG Xin-yue

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 引言

据卫生部统计，目前我国有不同程度的手指关节功能障碍的患者高达1000万以上。我们研发的康复仪集手部关节推拿按摩、红外线放射疗法和磁感应疗法于一体，是一种新型的医疗康复仪器。主要用于各种原因引起的手指关节不能自由活动患者的手指关节功能康复治疗。能有效防止手指关节坏死、肌肉萎缩，促进血液循环，刺激手指神经系统，使手指关节早日恢复功能。

1 设计方案

多功能手指关节康复仪由机械部分、红外线发射部分、磁感应治疗部分和可调速直流电源组成。其中，电机转速可调，红外线强度可调，推拿按摩力度可调。电机带动执行元件和传动机构工作，实现手指关节的屈伸和按摩功能。

1.1 凸轮机构设计

1）电机的选择

选用PM-33ZYJ永磁直流减速电机，其功率为1.5W～3.5W，转速为1r/min～1000r/min，最大输入电压为12V。

2）凸轮柱结构设计

（1）从动件运动规律的设计

根据按摩受力的要求，参考机械设计手册，对凸轮采用了等加速等减速运动规律。

（2）凸轮轮廓曲线的设计（反转法设计原理）

使整个机构以角速度(-w)绕O转动，其结果是从动件与凸轮的相对运动并不改变，但凸轮固定不动，机架和从动件一方面以角速度(-w)绕O转动，同时从动件又以原有运动规律相对机架往复运动。根据这种关系，可以求出一系列从动件尖底的位置。由于尖底始终与凸轮轮廓接触，所以反转后尖底的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线。

根据一般患者手部的大小和推拿按摩过程中手指屈伸的角度、凸轮对手部的理论作用力、理论推拿按摩面积和反复实验修正，运用反转法原理设计凸轮柱结构尺寸如图1所示。

图1 凸轮柱结构图

1.2 工作时凸轮和柔性托板对手部作用受力分析

当U＝12V时，凸轮转速n＝40r/min，P ＝3.5W，凸轮远休端手部受力最大。经计算得F＝12.6 N。同理，当U = 6V时，凸轮转速为n＝20r/min，P＝1.5 W，时手部受垂直力：F2＝18.29 N。通过调节电机转速和可调节性柔性托板，患者可选择适宜自己的按摩力度。患者使用时宜把柔性托板调到较低点，使柔性托板作用手部的力最小，然后再根据自己情况适当改变力度。同时，两电机的工作档位也宜从最低档位开始。

图2 凸轮对手部的伸张力分析

1.3 凸轮柱水平往复运动过程手部受力分析

图3 凸轮水平往复运动的受力分析

根据理论力学原理可知：当传动机构位于图3所示位置时，凸轮柱的水平速度最大，此时，vb＝va。当U＝12V时，电机功率为P＝3.5W，经一级皮带减速，曲柄的转速为n＝34r/min，计算得到Fb＝79.55 N；当U＝6V时，电机功率为P＝1.5 W，曲柄轮的转速为n＝12r/min，计算得到 Fb＝ 95.54 N。

2 总体方案的确定

2.1 各分功能结构的组成

1）凸轮柱由凸轮轴、凸轮片、直径为3毫米的铜柱和若干个活动小滚珠组成；

2）曲柄滑块机构由曲柄轴、曲柄轮、连杆和凸轮组成；

3）电机的选择带传动机构由带轮轴、带轮和皮带组成；

4）可调节性柔性托板机构由托板、弹簧、螺栓、三角托板、带传动组（V带传动，采用张紧轮张紧）和旋转拨动轮组成；

5）红外线装置由电路板、21个红外线发射管和24个普通发光二极管组成；

6）磁疗装置由安装在仪器底座上4个固定磁块和在凸轮柱内部的2个磁块组成；

7）电源电路装置由交流变压器（输出电压12V）、单片机、继电器、液晶显示器、电机转速调节板等组成。

2.2 工作原理

图4 凸轮传动原理图

可调速电机2通过凸轮轴带动凸轮柱旋转，与柔性托板机构共同对手指进行按摩。可调速电机1与带轮轴连接，经过一级皮带减速后，通过曲柄连杆机构带动凸轮柱作水平往复运动和可调节性柔性托板一起实现手指关节的屈伸运动。安装在机体后内侧的红外线装置在按摩过程中发光发热，促进患者手部的血液循环，增强了按摩效果。在按摩过程中，由于磁体自身运动角度的变化，产生循环的交变磁场，与手指关节的屈伸、推拿按摩、红外线放射疗法四位合一，康复效果好。

3 方案评价

3.1 各功能元的评价

3.1.1 凸轮机构

凸轮的自转运动和水平往复运动合成的复合运动实现手指的屈伸，用凸轮边缘表面镶嵌的小滚珠和可调节性柔性托板来实现对手指的按摩功能，且利用活动小滚珠自身的转动减少了按摩过程中手部所受的摩擦力，安全性好。

3.1.2 红外线放射疗法

红外线对人和生物体有热效应，这种热效应可以促进血液循环和新陈代谢，从而使人的疾病得到医治和促进人的健康。

3.1.3 磁感应疗法

实验研究与临床实践证明，磁场对人体有多种治疗作用，包括调整神经功能、恢复代谢功能、增强抗病能力、消除疼痛、降低血脂等。磁疗满足了康复治疗过程中的实际需要。

3.1.4 控制电路装置

该装置主要用于控制康复仪的工作时间，通过操作不同的按钮可以实现对康复仪的工作时间的智能控制，患者可根据自身状况选取推拿按摩时间，安全性好，极大地方便了患者及其家属。

3.1.5 推拿按摩力度控制机构

由于不同的患者对推拿按摩力度的需要不同，我们设计了柔性托板控制机构。通过调节控制机构的拨动轮来实现弹簧的垂直运动，从而牵制柔性托板的上升和下降，达到调节按摩力度的目的。

3.2 整体系统的评价

多功能的手指关节康复仪具有很多优势：填补了国内市场的空白；操作简单，安全可靠；经济性好，实用性强；应用范围广，老少皆宜；市场前景广。

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