雙電機(jī)動態(tài)牽引式脊椎康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高帥 萬正炫 劉旭謹(jǐn) 張超

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種能夠幫助腰椎畸形受損患者逐步恢復(fù)和矯正脊椎形狀和健康程度的腰椎牽引裝置，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)模仿正常人體腰椎正常行為和形狀，以此帶動患者脊椎和身形的正常運(yùn)作。在設(shè)計(jì)仿人體腰椎運(yùn)動時，參考人體醫(yī)學(xué)相關(guān)知識和人體生理結(jié)構(gòu)特征，獲得腰椎運(yùn)動的正常信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合人體康復(fù)運(yùn)動規(guī)律，具有較高的社會價值。

關(guān)鍵詞：牽引療法；雙電機(jī)驅(qū)動；腰椎畸形；康復(fù)訓(xùn)練

1 引言

家用牽引類治療儀，又稱為便攜式腰椎牽引器，是治療腰椎間盤突出癥最常用的儀器，和其他類型的治療儀相比，牽引治療儀已經(jīng)經(jīng)過多年臨床驗(yàn)證，治療效果明顯，適用范圍更廣；現(xiàn)有的家用牽引類治療儀在使用時存在一定的弊端，例如齒條式牽引器在使用時，當(dāng)患者站立使用時，減力下降不是勻速進(jìn)行，而是突然卸力，腰椎在上半身重量的沖擊下，有可能產(chǎn)生二次傷害，例如氣缸式牽引器在使用時，左右兩側(cè)氣缸同步性差，易造成脊柱兩 側(cè)受力不均，日久易漏氣，壽命短，充氣裝置攜帶不方便，且價格高市場占有率低，給家用牽引類治療儀的使用帶來了一定的影響，為此，本文提出雙電機(jī)動態(tài)腰椎牽引裝置。

2 設(shè)計(jì)思路分析

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為一種腰椎牽引機(jī)構(gòu)，主要功能有如下幾點(diǎn)：

一、恢復(fù)腰椎的正常生理曲度：隨著牽引時間的延長，生理曲度變形的現(xiàn)象可以逐步恢復(fù)至正常。

二、起腰部的固定和制動作用：牽引時，受牽拉的腰部處于一個相對固定的曲度狀態(tài)，腰部的運(yùn)動范圍及幅度較臥床休息和佩帶腰圍時更進(jìn)一步得以限制。

三、松弛腰背部肌肉： 牽引療法，可以逐漸使腰背肌放松，解除肌肉痙攣。

四、改善突出物與神經(jīng)之間的關(guān)系：對于腰椎突出早期的患者，牽引療法可使椎間隙逐漸被牽開，而有利于突出物的還納。

整體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

3 腰椎牽引機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本作品設(shè)計(jì)了雙電機(jī)動態(tài)腰椎牽引裝置，包括底座，所述底座的上端面位于一側(cè)的位置處設(shè)置有腰椎伺服電機(jī)，且腰椎伺服電機(jī)上設(shè)置有腰椎伺服驅(qū)動器，所述腰椎伺服電機(jī)的一端連接有連接盤，所述腰椎伺服電機(jī)與連接盤之間設(shè)置有滾珠絲杠，且腰椎伺服電機(jī)通過滾珠絲杠進(jìn)行扭矩傳輸，所述連接盤的一側(cè)面設(shè)置有螺母，且連接盤遠(yuǎn)離滾珠絲杠的一端設(shè)置有牽引拉力傳感器。本作品所述的一種腰椎牽引裝置，具有更大的工作空間和更好的剛度、精度和負(fù)載能力，通過腰椎伺服驅(qū)動器，將動態(tài)隨動的牽引力精準(zhǔn)施加于患者病變椎段，可自主高效進(jìn)行拉力調(diào)整，雙電機(jī)設(shè)計(jì)，效果優(yōu)于傳統(tǒng)的單電機(jī)平牽，帶來更好的使用前景。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本作品具有如下有益效果：該腰椎牽引裝置，摒棄傳統(tǒng)并聯(lián)連桿機(jī)器人的連桿，大大降低重量，折衷了串聯(lián)機(jī)器人與并聯(lián)連桿機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，具有更大的工作空間和更好的剛度、精度和負(fù)載能力，通過設(shè)置腰椎伺服驅(qū)動器，將動態(tài)隨動的牽引力精準(zhǔn)施加于患者病變椎段，可自主高效進(jìn)行拉力調(diào)整，腰椎伺服電機(jī)負(fù)責(zé)腰椎的牽引，腰椎角度牽引電機(jī)負(fù)責(zé)上下角度調(diào)節(jié)調(diào)整，達(dá)到調(diào)理病人生理曲度的功能，使用的效果相對于傳統(tǒng)方式更好。

4電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由操作盤和機(jī)器內(nèi)置嵌入式系統(tǒng)來組成，人通過操作盤向嵌入式系統(tǒng)發(fā)出指令，機(jī)器內(nèi)部嵌入式系統(tǒng)接受指令后，進(jìn)行事先在單機(jī)中寫入的程序，控制機(jī)器進(jìn)行所需要進(jìn)行的運(yùn)作，嵌入式系統(tǒng)作為人與機(jī)器的溝通中轉(zhuǎn)站。

系統(tǒng)主要包括四大功能模塊：人機(jī)交互及通信模塊、核心控制模塊、伺服動力模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。

4.1 人機(jī)交互及通信模塊

系統(tǒng)采用PC 機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。上位機(jī)根據(jù)輸入的治療數(shù)據(jù)運(yùn)算并生成牽引力曲線、牽引角度等參數(shù)，通過USB 通信將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送給微處理器，并將微處理器反饋回來的數(shù)據(jù)以曲線等形式顯示出來，以客觀顯示與預(yù)設(shè)數(shù)值的擬合程度。另外，上位機(jī)還負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，將治療數(shù)據(jù)存儲于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲及訪問。

4.2 微處理器核心控制模塊

系統(tǒng)選用ATmega16單片機(jī)作為核心處理器。核心處理器將上位機(jī)傳送來的治療參數(shù)進(jìn)行處理并發(fā)送指令，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，并通過讀取傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，實(shí)時對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，確保實(shí)際牽引力、牽引角度等與預(yù)設(shè)數(shù)值保持一致，并將牽引力、牽引角度反饋到上位機(jī)界面進(jìn)行顯示。

4.3 伺服動力控制模塊

伺服動力控制模塊是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)治療功能的關(guān)鍵執(zhí)行部件，主要包括伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)、角度調(diào)節(jié)電機(jī)。伺服驅(qū)動器接受微處理器發(fā)出的運(yùn)動指令，驅(qū)動交流伺服電機(jī)輸出力矩，為系統(tǒng)提供精準(zhǔn)平穩(wěn)的牽引力；角度調(diào)節(jié)電機(jī)改變牽引力的施加角度，確保系統(tǒng)以特定角度精準(zhǔn)作用于病變部位，避免脊柱整體受力。

4.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要有力量傳感器、角度傳感器、信號調(diào)理電路以及ATmega16 單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換電路組成，實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理。該模塊通過力量傳感器、角度傳感器等實(shí)時采集設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的牽引力、牽引角度等參數(shù)，并反饋給微處理器，以便系統(tǒng)及時調(diào)整設(shè)備動作。

5 總結(jié)

本產(chǎn)品為作品雙電機(jī)動態(tài)腰椎腰椎牽引裝置，通過腰椎伺服驅(qū)動器，將動態(tài)隨動的牽引力精準(zhǔn)施加于患者病變椎段，可自主高效進(jìn)行拉力調(diào)整，雙電機(jī)設(shè)計(jì)，效果優(yōu)于傳統(tǒng)的單電機(jī)平牽，同時搭建力反饋系統(tǒng)，電機(jī)達(dá)到預(yù)定的拉力值自動停止并進(jìn)行自動間歇性牽引，設(shè)置拉力自動補(bǔ)償功能，有效克服由于機(jī)器內(nèi)部原因?qū)е碌睦ψ冃栴}。不必再進(jìn)行手動調(diào)節(jié)力量大小?？紤]到我國腰椎病及頸椎病的人數(shù)日益增長以及人口老齡化的必然趨勢，本項(xiàng)目具有較高的市場價值。

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