一种人体关节训练机构的设计

田奕江 孙渊 金芏珺 崔哲伟 刘悦

摘要：神经系统受到损伤后需要做康复治疗。本文对一种可以代替医师对患者进行康复训练的机械进行研究。并通过单片机来实现腿部运动控制和系统保护机制功能。

关键词：神经系统损伤;康复训练;系统保护机制;腿部运动控制;单片机

1 选题背景及其意义

目前， 康复机器人与智能辅助系统已成为国内外机器人领域的研究热点.最具影响力的机器人国际学术会议包括ICRA（IEEE International Conference on Robotics and Automation） 、IROS （IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems） 等都设置专题对康复机器人与智能辅助系统进行研讨;另外， IEEE机器人与自动化学会 （IEEE Robotics and Automation Society， RAS） 和医学与生物工程学会（IEEE Engineering in Medicine and Biology Society， EMBS） 每两年共同举办一次康复机器人国际会议 （IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics， ICORR） ， 康复机器人与智能辅助系统是其核心议题。

对于各种原因引起的中枢神经损伤导致的肢体残障患者来说，其生存质量的高低取决于肢体功能恢复的程度。患者经过手术和药物治疗后，其运动功能的恢复主要依赖于各种康复运动疗法[1]。如何运用现代先进康复治疗技术，改善患者肢体运动功能，使患者在尽快摆脱病残的折磨的同时，恢复其自主生活的能力，一直是康复工作者研究和实践的重点。然而，上述的现状表明，下肢瘫患者人数众多，康复师相对匮乏，传统疗法自动化水平低，效率差，进口康复设备价格又太高，所以研制人性化的智能康复机器人是一项重要而紧迫的任务，具有非常明显的经济效益和社会效益[2]。

2 研究内容

2.1 STM32程序控制基本工作原理

整个程序框架和内容分别包括两部分。框架配合内容使整个装置按照自己设想的方式运动。

程序内容一部分是各个固件的驱动。如图2-1需要设计到控制的元器件有伺服电机的控制，行程开关的检测，伺服电机扭矩的反馈，屏幕收到用户的按键信息后将信息发送给STM32。

伺服电机采用位置模式控制，通过脉冲的数量控制和发布脉冲的频率来决定电机运动的速度和位置。在STM32控制系统中程序内容另一部分则是按照设定的规则，通过调用这些驱动获取相应的信息或者去调用相应的动作。

程序框架则包括局部运动和整体联合运动两种控制方式。

2.2 腿部张合运动

通过双向丝杆将两个固定脚部部位联系在一起，当电机控制丝杆转动时，两只脚会受到双向丝杆的牵引实现张合运动。

2.3 腿部伸展与收缩运动

脚部关节（101）搭载着滑块（102）随着红色箭头方向，沿着滑道（103）运动，带着脚部（101）前后运动，牵引着腿部关节的弯曲与伸展。同时两侧设立行程开关，避免机构出现超出行程的运动。另外此直线运动采用伺服电机驱动，时刻检测负载扭矩，以防机械运动到患者无法承担的位置导致剧烈疼痛与损伤。

2.4 腿部抬升与放下运动

脚部关节（101）随着升降滑块（104）沿着图二中的红线方向搭载着滑块（102）移动，同时随着升降滑块（104）的上下移动，脚部关节（101）会相对于升降滑块（104）进行转动，以配合腿的移动。

2.5 腿部组合动作

腿部伸展运动和脚部抬升运动可以看作是脚部关节（101）沿着X轴和Y轴的运动。以此为基准我们就可以通过控制XY两个方向的运动来控制人体的脚步的运動，就可以模仿走路的姿态，以及特定的康复动作。

3预期成果及创新点

本装置对四肢每个动作的运动轨迹、运动强度、康复次数以及停顿时间进行规划，相较于机械式的执行康复训练可以使病人更快康复。针对不同患者设定私人康复方案，上位机的数据统计功能，通过和已经康复的患者的训练次数进行对比，得出患者的康复进度。全机械自动辅助患者进行康复运动，减轻家属负担，同时避免了不正确的康复动作。四肢都将被机械控制完成指定的康复动作，控制手部弯曲、腿部弯曲和腰部扭转运动、腿部张合、抬落，手臂的伸展等组合运动，减少由人力进行的辅助康复，节约资金，加快康复速度。

参考文献：

[1]张通.中国脑卒中康复治疗指南（2011完全版）[J].中国康复理论与实践，2012，4（6）：55-76.

[2]杜宁.基于3-RRC并联机构的上肢康复机器人设计[D].秦皇岛：燕山大学机械电子学科硕士学位论文，2012：1-2.