双电机动态牵引式脊椎康复机器人结构设计

高帅 万正炫 刘旭谨 张超

摘 要：本文设计了一种能够帮助腰椎畸形受损患者逐步恢复和矫正脊椎形状和健康程度的腰椎牵引装置，通过机械结构与电路系统控制设计模仿正常人体腰椎正常行为和形状，以此带动患者脊椎和身形的正常运作。在设计仿人体腰椎运动时，参考人体医学相关知识和人体生理结构特征，获得腰椎运动的正常信息，在此基础上进行机械结构设计和选材，实验结果基本符合人体康复运动规律，具有较高的社会价值。

关键词：牵引疗法；双电机驱动；腰椎畸形；康复训练

1 引言

家用牵引类治疗仪，又称为便携式腰椎牵引器，是治疗腰椎间盘突出症最常用的仪器，和其他类型的治疗仪相比，牵引治疗仪已经经过多年临床验证，治疗效果明显，适用范围更广；现有的家用牵引类治疗仪在使用时存在一定的弊端，例如齿条式牵引器在使用时，当患者站立使用时，减力下降不是匀速进行，而是突然卸力，腰椎在上半身重量的冲击下，有可能产生二次伤害，例如气缸式牵引器在使用时，左右两侧气缸同步性差，易造成脊柱两 侧受力不均，日久易漏气，寿命短，充气装置携带不方便，且价格高市场占有率低，给家用牵引类治疗仪的使用带来了一定的影响，为此，本文提出双电机动态腰椎牵引装置。

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。

整体系统的结构框图如图1所示：

3 腰椎牵引机械系统设计

本作品设计了双电机动态腰椎牵引装置，包括底座，所述底座的上端面位于一侧的位置处设置有腰椎伺服电机，且腰椎伺服电机上设置有腰椎伺服驱动器，所述腰椎伺服电机的一端连接有连接盘，所述腰椎伺服电机与连接盘之间设置有滚珠丝杠，且腰椎伺服电机通过滚珠丝杠进行扭矩传输，所述连接盘的一侧面设置有螺母，且连接盘远离滚珠丝杠的一端设置有牵引拉力传感器。本作品所述的一种腰椎牵引装置，具有更大的工作空间和更好的刚度、精度和负载能力，通过腰椎伺服驱动器，将动态随动的牵引力精准施加于患者病变椎段，可自主高效进行拉力调整，双电机设计，效果优于传统的单电机平牵，带来更好的使用前景。

与现有技术相比，本作品具有如下有益效果：该腰椎牵引装置，摒弃传统并联连杆机器人的连杆，大大降低重量，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，通过设置腰椎伺服驱动器，将动态随动的牵引力精准施加于患者病变椎段，可自主高效进行拉力调整，腰椎伺服电机负责腰椎的牵引，腰椎角度牵引电机负责上下角度调节调整，达到调理病人生理曲度的功能，使用的效果相对于传统方式更好。

4电控系统设计

控制系统由操作盘和机器内置嵌入式系统来组成，人通过操作盘向嵌入式系统发出指令，机器内部嵌入式系统接受指令后，进行事先在单机中写入的程序，控制机器进行所需要进行的运作，嵌入式系统作为人与机器的沟通中转站。

系统主要包括四大功能模块：人机交互及通信模块、核心控制模块、伺服动力模块、数据采集模块。

4.1 人机交互及通信模块

系统采用PC 机作为上位机实现人机交互功能。上位机根据输入的治疗数据运算并生成牵引力曲线、牵引角度等参数，通过USB 通信将相应数据传送给微处理器，并将微处理器反馈回来的数据以曲线等形式显示出来，以客观显示与预设数值的拟合程度。另外，上位机还负责网络数据通信，将治疗数据存储于远程数据库中，能够实现大容量数据存储及访问。

4.2 微处理器核心控制模塊

系统选用ATmega16单片机作为核心处理器。核心处理器将上位机传送来的治疗参数进行处理并发送指令，驱动执行机构动作，并通过读取传感器监测到的数据，实时对执行机构进行调整，确保实际牵引力、牵引角度等与预设数值保持一致，并将牵引力、牵引角度反馈到上位机界面进行显示。

4.3 伺服动力控制模块

伺服动力控制模块是系统实现治疗功能的关键执行部件，主要包括伺服驱动器、伺服电机、角度调节电机。伺服驱动器接受微处理器发出的运动指令，驱动交流伺服电机输出力矩，为系统提供精准平稳的牵引力；角度调节电机改变牵引力的施加角度，确保系统以特定角度精准作用于病变部位，避免脊柱整体受力。

4.4 数据采集模块

数据采集模块主要有力量传感器、角度传感器、信号调理电路以及ATmega16 单片机自带的A/D转换电路组成，实现多通道数据的采集和预处理。该模块通过力量传感器、角度传感器等实时采集设备运转过程中的牵引力、牵引角度等参数，并反馈给微处理器，以便系统及时调整设备动作。

5 总结

本产品为作品双电机动态腰椎腰椎牵引装置，通过腰椎伺服驱动器，将动态随动的牵引力精准施加于患者病变椎段，可自主高效进行拉力调整，双电机设计，效果优于传统的单电机平牵，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）.