基于殘疾康復(fù)群體的一種上臂輔助機(jī)械

張晨宇 孟紫雯 劉文昊

摘? 要：目前我國(guó)的殘障數(shù)占總?cè)丝诘?.34%，其中大部分患者有殘疾康復(fù)的需求。針對(duì)社會(huì)需求，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)上肢殘疾患者使用的家用康復(fù)產(chǎn)品。設(shè)計(jì)的上臂康復(fù)機(jī)械是一個(gè)幫助患者康復(fù)的穿戴設(shè)備，患者將其穿戴在手臂上時(shí)，手臂固定處的傳感器會(huì)感應(yīng)患者施加的力并通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械使手臂彎曲，或通過(guò)藍(lán)牙連接機(jī)械進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，協(xié)助患者做出相應(yīng)動(dòng)作，達(dá)到鍛煉手臂的目的。

關(guān)鍵詞：康復(fù)；輔助機(jī)械；上臂；殘疾

中圖分類號(hào)：TP212? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）07-0154-04

Abstract： At present， the number of disabilities in China accounts for 6.34% of the total population， most of whom have the need of disability rehabilitation. According to the social needs， a household rehabilitation product is designed for patients with upper limb disabilities. The upper arm rehabilitation machinery is a wearable device to help patients for rehabilitation. When the patient wears it on the arm， the arm fixed sensor will sense the force of patient and drive the machinery to bend arm through the electric motor， or connect machinery through bluetooth to conduct remote control， so as to assist patients to make corresponding action and achieve the purpose of exercising the arm.

Keywords： rehabilitation; auxiliary machinery; upper arm; disability

0? 引? 言

我國(guó)的殘障數(shù)達(dá)到了8500萬(wàn)人，成為了世界上殘疾人口最多的大國(guó)，殘疾人成為了社會(huì)，國(guó)家，以及每個(gè)家庭都需要關(guān)注的群體。在殘疾人群體之中，肢體殘疾群體占比最大，約為30%[1]。我們團(tuán)隊(duì)基于這樣一個(gè)大背景下，研究了此產(chǎn)品。我們的產(chǎn)品主要關(guān)注點(diǎn)在術(shù)后康復(fù)的患者人群。此類人群將通過(guò)我們產(chǎn)品的輔助，達(dá)到有效的康復(fù)[2，3]。

1? 產(chǎn)品介紹

本產(chǎn)品是一個(gè)集傳感器、無(wú)線傳輸技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)下智能化控制等為一體的助老助殘康復(fù)機(jī)械。它的主要研究?jī)?nèi)容如下：

1）機(jī)構(gòu)主體以6061-T6為主要材料，并根據(jù)大量考察和數(shù)據(jù)研究設(shè)計(jì)出符合人體工程學(xué)的機(jī)構(gòu)。創(chuàng)新的以類似于傘骨的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了大臂帶動(dòng)小臂的角度變化。

2）控制系統(tǒng)：采用壓力傳感器和遠(yuǎn)程控制共同作用，當(dāng)傳感器感受到使用者所施加的微小的力后就會(huì)將信息傳輸給開(kāi)發(fā)板，同時(shí)開(kāi)發(fā)板將信號(hào)傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)小臂運(yùn)動(dòng)。同時(shí)使用者還可以通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙連接機(jī)械遠(yuǎn)程操控電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的快慢，以達(dá)到輔助使用者彎曲手臂或施加反力達(dá)到鍛煉手臂的目的。

3）物聯(lián)網(wǎng)與手機(jī)APP設(shè)計(jì)，使用者使用手機(jī)APP可以接收到通過(guò)傳感器接收到的患者施加的力，可以使使用者直觀的看到自己的康復(fù)狀態(tài)。APP還可以給予使用者需要的提示和幫助。

4）產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)，產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)需符合大眾審美并能適用于不同年齡段的人群。

2? 機(jī)構(gòu)分析與工作原理

如圖1所示，上臂輔助康復(fù)機(jī)械以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力原件帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，由于絲杠是固定在板一與板二之間，同時(shí)板一與板二剛性連接在下板上。在步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，馬達(dá)連接刀架作軸向回轉(zhuǎn)動(dòng)作，并且刀架旋轉(zhuǎn)絲杠螺母座作垂直運(yùn)動(dòng)，此時(shí)螺母座拉動(dòng)連桿5與連桿1，連桿5與關(guān)節(jié)1組成二桿機(jī)構(gòu)，并拉動(dòng)關(guān)節(jié)1繞下板固定軸心旋轉(zhuǎn)；同時(shí)絲桿螺母座拉動(dòng)連桿1，連桿1拉動(dòng)由關(guān)節(jié)1，連桿2，連桿41及連桿42組成的四桿機(jī)構(gòu)，且在與連桿5拉動(dòng)關(guān)節(jié)1的配合下，使關(guān)節(jié)1相對(duì)小臂做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將老人大臂與下板固定，小臂與小臂板固定，實(shí)現(xiàn)輔助伸縮手臂的目的。

3? 控制系統(tǒng)

本產(chǎn)品采用了Arduino數(shù)字單片機(jī)系統(tǒng)。Arduino是一個(gè)非常簡(jiǎn)單易上手的開(kāi)源電子設(shè)備原型平臺(tái)。它可以和多種常見(jiàn)的電子元件相連，如各類感應(yīng)器、伺服電機(jī)、手舵機(jī)，或者任何輸入/輸出裝置[4]。Arduino控制器能夠同時(shí)使用三個(gè)不同位置的獨(dú)立的傳感器接口來(lái)連續(xù)接收處理各種環(huán)境數(shù)據(jù)，而在接收器位置上獨(dú)立的微控制器接口能夠首先使用基于Arduino語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)句來(lái)快速完成程式碼的編制，繼而完成翻譯數(shù)據(jù)并自動(dòng)導(dǎo)出到二進(jìn)制數(shù)據(jù)，再自動(dòng)燒錄輸出到微控制器。對(duì)嵌入式Arduino系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)通常也是直接使用Arduino的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)句（基于Wiring）和Arduino設(shè)計(jì)條件（根據(jù)Processing）來(lái)完成的。基于Arduino技術(shù)的開(kāi)源項(xiàng)目，可能是僅只包括了Arduino，也很可能僅僅包括了Arduino和另外的幾個(gè)能夠同時(shí)在一臺(tái)PC主機(jī)上工作運(yùn)行的開(kāi)源應(yīng)用軟件，透過(guò)它們相互之間進(jìn)行交流（例如Flash，Processing，MaxMSP）來(lái)達(dá)成。本產(chǎn)品采用了Arduino家族中的Arduino UNO單片機(jī)，處理器核心為ATmega328[5]，同時(shí)擁有十四路IO口及十六MHz的晶體振蕩器、usb口、供電插口、ICSP-header、復(fù)位按鍵等各一[4]。本設(shè)計(jì)中，由Arduino單片機(jī)負(fù)責(zé)處理各種傳感器信息，并利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊傳遞脈沖信號(hào)以完成電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

4? 主要模塊介紹

4.1? 傳感器控制模塊

感應(yīng)器主要由關(guān)節(jié)壓力傳感器和手腕壓力傳感器組成。一個(gè)氣壓傳感器讀取手臂固定部分的實(shí)際氣壓，從角度傳感器的歐拉角輸出確定手腕的扭轉(zhuǎn)角度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到arduino微控制器以調(diào)整電機(jī)的速度[4]，機(jī)構(gòu)隨著手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.2? 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用blinker。Blinker提供包括了對(duì)當(dāng)前可用網(wǎng)絡(luò)的一些最普遍常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)接入和解決方案的全面支持，如藍(lán)牙，Wi-Fi，NBiot/GPRS，并且還可以同時(shí)適應(yīng)目前大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用站點(diǎn)的要求。藍(lán)牙模塊連接單片機(jī)后，將字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)連接到arduino單片機(jī)上的功能，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)遠(yuǎn)程遙控調(diào)速等功能實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，Arduino單片機(jī)還可以將電機(jī)控制、傳感器力等信息回傳給用戶客戶端，并轉(zhuǎn)化為有用的信息。遠(yuǎn)程控制調(diào)速系統(tǒng)不僅是可以大幅度減少由于自動(dòng)控制調(diào)壓系統(tǒng)帶來(lái)的人工操作失誤[6]，還為用戶帶來(lái)必要的信息，反饋給用戶有價(jià)值的信息，從而增加了設(shè)備的智能性和安全性。

4.3? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

考慮到在手臂關(guān)節(jié)處驅(qū)動(dòng)小臂所需的扭矩比較大，而這臺(tái)機(jī)器是用于助老或康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，但還沒(méi)有建立精確的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)構(gòu)模型，所以下一步將對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，建立詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，然后選擇合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

5? 總體尺寸設(shè)計(jì)

由于它的穿著方便和結(jié)構(gòu)精巧，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)以下尺寸最適合人體舒適度 經(jīng)過(guò)研究。本產(chǎn)品總長(zhǎng)度為500 mm，最大寬度為60 mm，最大高度為123 mm。

5.1? 小臂外形尺寸

外形尺寸為了使小臂能夠抬起的裝置，固定小臂的機(jī)構(gòu)應(yīng)該適應(yīng)大多數(shù)老年人小臂的長(zhǎng)度。不能超過(guò)手腕，也不能短到肘部，所以小臂板的總長(zhǎng)度為175 mm，考慮到省力等因素，小臂板的寬度為30 mm，厚度為10 mm，以舒適性和美觀度為基礎(chǔ)。

5.2? 大臂外形尺寸

大臂的機(jī)構(gòu)為吊臂的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，根據(jù)我們的調(diào)查和美觀度的實(shí)際情況，我們將大臂的總體尺寸設(shè)定為200 mm。

5.3? 關(guān)節(jié)處外形設(shè)計(jì)尺寸

本發(fā)明考慮到肘部彎曲時(shí)剛性結(jié)構(gòu)彈性小等特點(diǎn)，采用類似傘骨的連桿機(jī)構(gòu)，可以達(dá)到大小臂聯(lián)動(dòng)的目的，增加了大臂和小臂彎曲時(shí)的穩(wěn)定性和彎曲時(shí)機(jī)構(gòu)的總長(zhǎng)度。機(jī)構(gòu)在接縫處平放時(shí)總長(zhǎng)。

6? 材料強(qiáng)度校驗(yàn)

本設(shè)計(jì)采用用6061-T6進(jìn)行制作。6061-T6高強(qiáng)度、硬度大（HB可達(dá)90度以上），具備良好的機(jī)械加工性能，且抗氧化能力較好。無(wú)沙眼吻突，表面平整度也較高。提高了產(chǎn)品品質(zhì)，降低了原材料生產(chǎn)成本。這同時(shí)也是中低價(jià)值，高品質(zhì)建筑材料的最好選用。6061-T6系統(tǒng)主要是鋁、鎂、硅等合金，屬于一次熱加工型的抗銹蝕型合金。強(qiáng)度與耐腐蝕性能較弱，但均勻性能皆良好。

6.1? 板抗彎強(qiáng)度校核

板件許用應(yīng)力σ=205 Mpa，圖3～圖5分別為均布載荷分布圖、剪力沿軸線的變化規(guī)律圖以及彎矩沿軸線的變化規(guī)律圖。

d1=150 mm，d2=60 mm

b，h分別表示板件的長(zhǎng)和寬，對(duì)應(yīng)d1與d2；Iz表示截面對(duì)中心軸的慣性矩；Mmax表示最大彎矩；q表示均布載荷；σmax表示最大許用應(yīng)力；Ymax表示梁截面上下邊緣到中心軸的距離。

6.2? 螺栓的強(qiáng)度校核

應(yīng)用M5螺栓，螺栓性能等級(jí)為5.6。

其中，σs表示屈服極限，s，sn表示安全系數(shù)，τs表示剪切屈服極限。

7? 競(jìng)爭(zhēng)力分析與產(chǎn)品前景

7.1? 競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

7.1.1? 精巧的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

我們團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)將導(dǎo)軌絲杠和類似傘骨結(jié)構(gòu)的連桿組織精密的結(jié)合起來(lái)，導(dǎo)軌絲杠的磨擦損失較低，傳動(dòng)控制系統(tǒng)有效率，準(zhǔn)確度高，軸向硬度好，同時(shí)具有高傳動(dòng)扭轉(zhuǎn)性的優(yōu)點(diǎn)與連桿組織的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)便，承載能力大，適宜康復(fù)運(yùn)動(dòng)這種中低速的運(yùn)動(dòng)的特性巧妙地融合在一起，避免了冗余的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高要求以及其產(chǎn)生的多余的重量對(duì)使用者產(chǎn)生的不適，產(chǎn)品原型實(shí)物圖如圖6所示。

7.1.2? 創(chuàng)新的材料選擇

此產(chǎn)品采用6061-T6材料，這種材質(zhì)的主要合金元素是鋁和硅，高強(qiáng)度，高硬度，具有優(yōu)秀的耐蝕、可焊性，抗氧化功能較好。優(yōu)秀的焊縫特點(diǎn)，氧化功能好。無(wú)砂眼吻突，平整度較好[7]。這同時(shí)也是所有低價(jià)值，高質(zhì)量材料中的最好選擇。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于家具及機(jī)械零件，精密制造，模具等行業(yè)。但考慮到康復(fù)過(guò)程是個(gè)比較長(zhǎng)期的工程，對(duì)機(jī)器的消耗也不能減少，因此更換零部件比較不現(xiàn)實(shí)，所以抗磨損，高強(qiáng)度高硬度的6061-T6就是一種不二選擇。

7.2? 產(chǎn)品前景

中國(guó)殘疾死亡原因以后天獲得性傷殘為居多，非傳染病致殘也占有較大比例，先天性傷殘則不足百分之十，而且存在著較大的區(qū)域、城鄉(xiāng)和性別差異；各個(gè)年齡階段的存在不同的死亡危險(xiǎn)，非感染性疾病死亡和創(chuàng)傷及傷害死亡的可能性隨著年齡增加逐漸上升。

傳統(tǒng)醫(yī)療手法分為活動(dòng)恢復(fù)、作業(yè)恢復(fù)、心靈理療、牽拉、言語(yǔ)、中醫(yī)等療法手法，現(xiàn)代醫(yī)療儀器則主要分為光、電、音、電、熱、冷、機(jī)械和物理因子綜合療法的儀器，另外還有站立床、吊床、單雙杠教學(xué)、拉力器、大功率車等簡(jiǎn)易的動(dòng)作恢復(fù)練習(xí)儀器和運(yùn)動(dòng)精神心理練習(xí)儀器，科技濃度都很低。但近年來(lái)，隨著科技發(fā)展水平的日益提升，系統(tǒng)的動(dòng)作恢復(fù)練習(xí)醫(yī)療手法也在進(jìn)一步提升，醫(yī)療功能日益增強(qiáng)。因此，在電刺激療法中，產(chǎn)生了多波形和調(diào)制技術(shù)、功能性電激發(fā)技術(shù)、雙側(cè)控制鏡像式電激發(fā)技術(shù)、新型人體工程學(xué)技術(shù)和無(wú)菌化的耗材技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)、人工智能輔助評(píng)價(jià)和藥物推薦等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，有效增強(qiáng)了電激發(fā)技術(shù)的醫(yī)療作用。在電生理學(xué)中，近年來(lái)還利用了機(jī)器人視野、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)進(jìn)行了三維空間的虛擬現(xiàn)實(shí)練習(xí)，提高了病人的沉浸性。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和提高，多種新興健康醫(yī)療技術(shù)也逐步得到了開(kāi)發(fā)和商業(yè)化使用，其中最具標(biāo)志性意義的便是經(jīng)顱磁刺激技術(shù)、健康機(jī)器人技術(shù)，以及人工智能技術(shù)在健康醫(yī)學(xué)中的廣泛應(yīng)用。由于經(jīng)顱磁刺激技術(shù)擁有高強(qiáng)度、高穿透力、無(wú)侵入感、無(wú)痛沖擊等優(yōu)點(diǎn)，并作為防治精神疾病和神經(jīng)病變的一項(xiàng)重要核心技術(shù)，2008年美國(guó)FDA首次允許了經(jīng)電磁刺激技術(shù)進(jìn)行對(duì)抑郁的診斷。近年來(lái)，由于經(jīng)電磁深度和對(duì)焦、導(dǎo)航定向等新興技術(shù)的廣泛應(yīng)用，經(jīng)顱磁刺激技術(shù)對(duì)抑郁、帕金森病等精神疾患的診治有效性也日益增強(qiáng)。影像輔助的導(dǎo)航與定位系統(tǒng)、刺激線圈的機(jī)械臂主動(dòng)追蹤等，創(chuàng)新科技的運(yùn)用可以增強(qiáng)醫(yī)生對(duì)腦部靶點(diǎn)治療位置的精確度，進(jìn)而改善臨床效果。

8? 結(jié)? 論

以上開(kāi)發(fā)介紹的一種上臂康復(fù)輔助裝置，適用范圍受限以及使用時(shí)裝置調(diào)整較為繁瑣等問(wèn)題都得到了解決。該康復(fù)器械在傳感器上使用了壓力角度傳感器共同采集數(shù)據(jù)，在控制上采用遠(yuǎn)程和感應(yīng)控制，與市面上現(xiàn)存康復(fù)器械相比獲取信息更為準(zhǔn)確且智能化程度更高。

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作者簡(jiǎn)介：張晨宇（2003—），男，漢族，湖南常德人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。