新型可折叠式腿部康复仪的设计

（衢州学院机械工程学院，浙江衢州市，324000） 虞欣粤 王 涛 张海林 楚善腾 徐秦领

随着近年来我国迈入人口老龄化社会速度的加快，因中风等疾病而导致行动不便，甚至瘫痪的老人数量正在逐年增加[1-3]。相关研究表明，对肢体进行反复的被动训练，有利于增强伤残人士肌肉的韧性，防止肌萎缩[4]，对其康复进程有积极的促进作用。

1 设计方案

可折叠腿部康复仪主要包括三部分：滚珠丝杆装置、铰链四杆机构、角度调节装置。产品整体结构如图1所示，本装置的工作原理如下：先将螺母套筒与丝杆拼合，旋转旋钮，丝杆固定转动，螺母套筒做旋进运动，通过改变丝杆与螺母套筒合并的直线长度来控制上层支架的倾斜角度。当倾斜角度调节合适后，用定位销将U型支架固定，防止U型支架的转动。接着启动步进电机，通过控制步进电机的正反转，实现滚珠丝杆上的滑块做来回直线运动，进而拖动脚托做反复的抬升运动。当使用完后，将脚托向内旋转，实现脚托的折叠收缩。旋拧角度调节装置上的旋钮，实现丝杆、螺母套筒的拆解收缩，接着拔下定位销。装置完全收缩后呈平板形状，整体轻盈，便于携带，且闲置时占地面积小。

图1 产品整体效果图

2 滚珠丝杆装置

滚珠丝杆装置主要由滚珠丝杆，滑块，两侧对称滑轨，支撑块，球轴承构成。支撑块固定在上层支架底板上，内侧嵌有球轴承，滚珠丝杆穿过球轴承。滚珠丝杆的一端通过联轴器与步进电机相连，丝杆上有特制的滑块。两侧对称滑轨限制滑块的旋转运动，使滑块只有一个直线自由度。滚珠丝杆作为主动件，滑块做为被动件[7]，滑块随着滚珠丝杆的转动角度，按照相应的导程做旋进直线运动[8]。

滚珠丝杆的轴向载荷计算：

假定一个老人的体重为50kg，他的单侧下肢质量为8kg，加上脚托的质量，滑块所承受的质量在9kg 左右，将上层支架与下层支架的角度调整到一个90°的极限角度。

式中，Fmax为滚珠丝杆受到的轴向力，单位为N；m为单侧下肢加脚托的质量，单位为kg；g为重力加速度，单位为N/KG。经计算，丝杆的轴向载荷为88.2N。

滚珠丝杆的转矩计算：

式中，T 为丝杆的转矩，单位为N⋅m；Fmax为丝杆受到的轴向力，单位为N；d为丝杆直径，d=1cm；ρ '为丝杆当量摩擦角，ρ '= 0.1432°；Ψ 为螺旋升角，单位为度。

式中，S为丝杆导程，S=0.015m/r；d为丝杆直径，d=1cm，可知Ψ 为0.44 度，由以上两式可得，滚珠丝杆的转矩为1.1 642N⋅m。

3 铰链四杆机构

两个连杆、脚托与滑块可以看作是一个铰链四杆机构。脚托、长短连杆与滑块之间都通过销子进行连接。当装置伸开或收缩时，以两连杆的连接点作为旋转中心，两连杆绕旋转中心进行相对旋转[9-11]，实现脚托与上层支架角度90°的变化。

连杆的受力分析：

脚托与单侧下肢的质量为G，上层支架与下层支架的角度为α，连杆与鞋托的角度为β。

公式中，F为连杆所受拉力，单位为N；G为脚托与单侧下肢的重质量，单位为N；α为上层之架与下层之架的夹角，单位为度；β为连杆与鞋托之间的夹角，单位为度。

4 角度调节装置

角度调节装置由U 型架、旋钮、丝杆、套筒构成。使用时，先将丝杆一头对准螺母套筒口处。不经任何旋进时，可以达到上层支架垂直与地面。根据老人使用时，坐的位置高度，以及老人腿的长度，只需要旋转旋钮，使螺母套筒做旋进运动[12]，改变丝杆与螺母套筒的合并长度，进而达到自行调节上层支架的倾斜角度的效果。接着插上定位销，实现U型架的角度固定。使用完毕后，可以反向旋转旋钮，将丝杆与螺母套筒拆解分离，再拔出定位销，实现上层支架的收缩。

5 结语

该产品总体采用铝合金框架构成，使整体的重量更加轻盈。应用的滚珠丝杆装置，使传动效果更加稳定，传动比更加精确，摩擦系数小[13]，避免了一些因为装置工作误差对老人进行二次伤害。