虚拟现实与并联柔索牵引耦合式脊椎康复助力装置结构设计

张康 纪元 刘笑含 张惠荣

摘 要：脊椎病患者需要经常使用牵引机构进行康复保健治疗，迫切希望有一种价钱廉宜的康复保健器械能够在家里、在办公室自助进行康复治疗，以节省医疗费用和宝贵的时间，同时避免往返医院途中颠簸而带来的痛苦。本产品使用基于牵引疗法使用机械结构对关节施加牵拉力，使其发生一定的分离，周围软组织得到适当的牵伸，从而达到治疗目的。

关键词：牵引疗法；颈腰椎康复；便携式设计；柔索机构

1 引言

脊椎病是椎间盘突出、椎间盘膨出、腰椎肥大、腰椎增生等一类疾病的统称。其主要症状有：腰痛、腰腿麻痹、坐骨神经痛等，症状较重者不仅痛苦难忍，严重者甚至引起下肢运动障碍。脊椎病是一种退化病，是由于脊椎关节退化改变后引起脊椎管内神经受到压迫造成的，其特点是一旦发病则需要长时间康复治疗，无法根治，并且容易在颠簸、震动、用力不当等诱因下频繁复发。

2 设计思路分析

本项目设计的结构为一种腰椎牵引机构，主要功能有如下几点：

一、恢复腰椎的正常生理曲度：随着牵引时间的延长，生理曲度变形的现象可以逐步恢复至正常。

二、起腰部的固定和制动作用：牵引时，受牵拉的腰部处于一个相对固定的曲度状态，腰部的运动范围及幅度较卧床休息和佩带腰围时更进一步得以限制。

三、松弛腰背部肌肉： 牵引疗法，可以逐渐使腰背肌放松，解除肌肉痉挛。

四、改善突出物与神经之间的关系：对于腰椎突出早期的患者，牵引疗法可使椎间隙逐渐被牵开，而有利于突出物的还纳。

3 腰椎牵引机械系统设计

腰椎牵引机构的示意图见图3-1，由安装在底座上的伺服电机1 对滚珠丝杠2提供扭矩，通过螺母3 带动连接盘4 牵引拉力传感器6，生成的拉力促使牵引底板7 带动绑带盘5，从而达到腰椎牵引的目的。

4 颈椎牵引机械系统设计

颈椎牵引机构的示意图见图4-1，由安装在底座3 上的伺服电机1 把扭矩传递给滚珠丝杠4、通过螺母5 转换成拉力，并经连接盘6 把牵引力传给拉力传感器7，从而拉动头板2 进行颈椎牵引治疗。

系统的脊椎牵引机构与颈椎牵引机构均为伺服电机直接带动丝杠，进而牵动胸板与头板以线性拉力的形式作用于患者脊椎，这种作用方式直接、反应快，可以迅速地调整牵引力。

5.电控系统设计

在单片机上编程好要运行的机械运作，当pc端发出指令，单片机收到指令后，控制机身按照需要进行的机械运动运作，从而实现啦按摩椅的功能。考虑到按摩椅会做机械运动这可能需要用到数字技术中的计数器，对机械运作时间的记录并且反馈给控制系统，控制系统再对机器发出指令而完成机器需要进行的一系列复杂而有规律的运动，从而实现按摩康復身体的功能。

6 总结

项目以柔索代替传统并联连杆机器人的连杆，大大降低了重量。折衷了串联机器人与并联连杆机器人的优缺点，具有更大的工作空间和更好的刚度、精度和负载能力。同时搭建力反馈系统，电机达到预定的拉力值自动停止并进行自动间歇性牵引，设置拉力自动补偿功能，有效克服由于机器内部原因导致的拉力变小问题。不必再进行手动调节力量大小。考虑到我国腰椎病及颈椎病的人数日益增长以及人口老龄化的必然趋势，本项目具有较高的市场价值。

参考文献：

[1] 左文山， 韩立荣， 张子峰，等. 组合式胸腰椎康复架[J]. 实用医药杂志， 1997（2）：60-60.

[2] 陈桥， 訾斌， 孙智，等. 柔索驱动并联腰部康复机器人设计、分析与试验研究[J]. 机械工程学报， 2018（13）.