脚部康复仪的改进设计

虞欣粤 王 涛 张海林 楚善腾 徐秦领

（衢州学院 机械工程学院，浙江 衢州324000）

0 引言

鉴于康复群体的个体差异，脚部康复仪功能应满足康复者对关节活动度的要求，同时需要兼顾性价比，使其能被大众青睐。如今医疗器械研发界对康复仪器的研究与发展越来越重视[1]。在本机设计中，运动机构的行程大小需具有一定的可调性并且操作简便，同时还应该满足各项安全性条件。通过查阅文献了解并对比了国内外各类康复机的优缺点之后，根据患者下肢的运动规律，提出了直线双滑轨脚部康复模式的康复仪。

1 设计方案

针对现国内外脚部康复仪的优缺点分析，以及人体下肢动关节长度和运动范围，本设计需满足以下要求：

仪器使用上应操作简便，控制简单，既保证整机结构的可靠性又能使大多数老年人自由操作该设备。

该款康复仪的运动特征能最大限度贴合人体脚部运动特征，对于不同姿态以及不同训练要求，腿部训练机构可进行角度调节。

1.1 滑轨设计

在整个运动机构中，滑轨有导向和支撑作用，而且滑块与运动块相连，使得运动块可以沿滑块的运动方向运动，在其他辅助老年人活动的仪器中也采用了滑轨设计[2]。由于在设计中对导轨的刚度以及阻尼有要求，所以需保证连接件之间的缝隙尽可能的小而且摩擦力也要足够小，经过综合考虑，选取滚珠型导轨，如图1所示。其具有如下优点：

图1 滚珠型导轨图

（1）装配简单，替换操作方便。

（2）定位性能好，在工作状态下损耗更小。

（3）在正常运动状态下，无打滑现象发生。

1.2 传动系统

齿轮齿条系统中，齿条齿轮发生啮合，齿条相对齿轮中心会发生直线运动。机构的传动速度高，寿命长，而且其精度可以随齿面的加工精度和安装精度而进一步提高，并且有学者在文献中研究齿轮齿条机构适合低速重载运动[3]。脚部康复仪在使用时冲击较小，齿条齿轮传动相对而言更适合本款脚部康复仪的要求。

设计中选取的小齿轮数据齿轮如图2所示。

图2 齿轮零件图

齿轮：齿数Z=25，模数m=1，压力角 α=20°，齿轮宽度B=10 mm齿轮材料采用45号钢并调质处理，硬度为265 HBS。

齿条：齿条长L=350 mm，模数m=1，压力角α=20°，齿条宽度B=12 mm材料45正火处理，硬度为200 HBS。

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因本设计中的齿轮齿条是在开放环境下工作的，其磨损将会使齿轮齿条在产生疲劳之前发生破坏，但康复机的使用多是在较为干净的场合中使用，齿轮齿条的寿命会比机器的整体寿命更长。

1.3 电机选择

由于直流电机速度控制精准以及原理简单操作方便，且康复仪的速度变化不大，所以选用直流电机作为动力源，其计算如下：正常成年男性的体重为70 kg，故取正常成年男性的单边下肢重量m1=30 kg，移动部件的总重量 （包括人体下肢和步进电机）m3=40 kg。齿轮的分度圆直径，半径r=12.5 mm，g=9.8 N/kg。

如图4是脚部康复机的抬升角度处于极限位置（45°）时，对齿轮的受力分析。此时踏板的受力系数为a=0.5。

由图可知单个步进电机上的牵引力：

图3 脚部康复机（角度最大）侧面图

图4 受力分析图

公式中：F为牵引力（N）；m3为移动部件的总质量（kg）；g为重力加速度（m/s2）。 由公式（1）计算可得F=70 N。

公式中：T为步进电机的转矩 （N·m）；F为牵引力（N）；r为齿轮的半径（mm）。 由公式（2）计算可得T=0.87 N·m。

在直流电机完全满足运动的前提下，选择利用蜗轮蜗杆减速的A5882-45电机，详细参数如表1所示。有着蜗轮蜗杆减速装置，可以实现反向自锁，减速增距，在紧急停机的情况下可以保证滑动板的自锁，保护患者[4]。

表1 A5882-45直流电机产品参数表

1.4 运动构件

康复机的底座框架如图5所示，在底架上安装有一个支撑杆定位卡槽，设有多个调节档位。调节方便且重量较轻。

斜度调整部分装配图如图6所示，该框架中两条导轨用螺钉螺母与长型材与长型材连接，齿条固定在衬有尼龙垫高块的角铝上，角铝则固定于长型材上。两条长型材的中间用连接件安装一组支撑架端部安装块。斜度调整部分装配与底座框架之间以两个铰链相连。

滑板行走部分的装配模型如图7所示，四个滑块与滑动板相连接，滑板之上安装踏板架与电机。在电机的轴上安装齿轮，齿轮在与斜度调整部分的齿条啮合后能够提供滑板带动病人下肢随滑动板运动的动力。由于病人下肢在收缩状态和伸展状态下人脚相对于踏板的角度会有一定的变化，所以设计了踏板中间固定，踏板的连接部分设计有一个与踏板安装架腰子槽相对的安装孔，由此实现脚踏板在有限程度内地自我调节功能。

2 整机结构

本文设计的直线双滑轨脚部康复仪装置整体如图8所示。该装置主要由装置主架、驱动模块组成。装置主架包括脚部踏板、脚部支架、抬升机构、步进电机支架、直线双滑轨；驱动模块包括步进电机、蜗轮蜗杆、齿轮、齿条，当装置穿配好以后，患者的脚放置在踏板上时，步进电机开始运转并带动脚踏板上的齿轮齿条进行反复运动，从而实现了脚部锻炼的目的。

图5 底座框架模型装配图

图6 斜度调整部分模型装配图

图7 滑动板行走部分模型装配图

图8 脚部康复仪整体效果图

3 结论

本款脚部康复仪装置采用抬升机构的理念，使步进电机带动脚踏板在齿条上做反复抬升运动来实现脚部反复活动，而且双滑轨设计使装置倾斜角度可调，步进电机带动式脚步康复仪不仅装置简单，操作便捷，装置自重轻占地少，安全度高，操作性强，有效提高用户使用舒适度，适合家用。