踝泵运动机械设计机械部分(附件)
在分析人体脚踝的基本结构、运动过程和一些常见的康复手段的基础上，本文提出了三种可行性机构方案。通过各方案逐一的比较分析，确定一种具有两个摆动自由度，利用丝杆滑台传动的脚踝康复机方案。依据医学参数及设计要求，进行部件计算及选型，利用Creo2.0软件中Simulate模块对重要零件进行有限元分析及运动分析，验证方案准确性，并制造出脚踝康复机原型机。该原型机结构机构简单、运动灵活、控制方便、成本低廉，在某医院的临床试验中验证了该脚踝康复机结构设计的合理性。关键词 脚踝康复，Creo2.0，有限元分析，
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 脚踝康复机研究状况 2
1.3 脚踝康复机设计的技术难点 5
1.4 本文研究的内容 6
1.5 本章小结 6
2. 脚踝生理结构与康复手段 6
2.1 脚踝生理结构及其运动 7
2.2 传统脚踝康复的手段 7
2.3 本章小结 8
3. 脚踝康复机的结构及其比较 9
3.1 常见脚踝康复机机构 9
3.2 结构设计方案比较 10
3.3 机构方案确定 13
3.4 本章小结 14
4. 脚踝康复机的设计 14
4.1 脚踝康复机机构设计要求及医学参数 14
4.2 丝杆滑台的选型计算 15
4.3 步进电机的参数与选型 20
4.4 行星减速器选型计算 21
4.5 脚踝康复机整机布局 22
4.6 其他辅助的机构设计 22
4.7 本章小结 24
结论 24
致谢 25
参考文献 26
1 绪论
1.1 课题背景与意义
目前，随着长时间卧床不能运动患者的增多，瘫痪、下肢功能障碍等成为了常见的并发症。因为有患者的下肢持久得不到磨练，肌肉、基膜和结缔组织机能消退，变成肌肉硬化，乃至呈现废用性肌收缩等。小腿的三头肌连续痉挛而得不到牵伸就会致使跟腹挛缩，会使得本来可 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
逆转的足下垂转化为不反的足下垂。另外，假如患者长时间没法运动，肌肉就会呈现废用性的肌收缩，招致脚踝背伸肌肉群力气的减退，脚踝变得背伸困难，会变成患者肢足下垂、内翻及足跟不达到一般步行，引发骨髓、膝盖、脚踝痉挛等。
脚踝痊愈锻炼的根本方式是理疗师一对一的对患者举行脚踝背屈、跖屈、内翻、外翻、内旋、外旋的康复锻炼。该锻炼方式对患者脚踝功效的收复起到了举足轻重的功用，与此同时时为理疗医生积攒了珍贵的实践经验。但是，这种恢复方法的背后也有不足与缺点：
理疗医生只可同时对一位患者举行痊愈医疗，而当前必要接受治疗的患 者数目庞大，使理疗医师的需求量日趋增加，远满足不了患者的需要；
传统的手工锻炼方法要耗费理疗医师很多的时间和体能，没法保证充足的痊愈时间和充足的康复强度；
劳动力本钱的加多，致使传统手工锻炼的成本陡增，医疗支出庞大，成为普通家庭难以跨越的鸿沟；
病者也很难医生举行优秀的互动，锻炼的消息大概无法及时的反应，感化训练的安逸性，使痊愈训练变得味如鸡肋；
传统锻炼不可以记载训练的各类参数（比方：运转的轨迹、速率、角度等），只可靠医生的经历举行训练，得不到定量的阐发，对康复训练方法的改善带来了难题，而且对患者神经痊愈的研法带来问题 [45]。
如今社会，治疗物资比较紧张，很多的受伤患者丢失了早期康复医治的最有利时机，给患者的恢复造成了恶劣的影响 [67]。因此，拓展全新的病愈锻炼技术和加大抬高康复成效是办理患者肌肉收缩和防备深静脉血栓的确当之急。
计划脚踝康复机来对患者开展脚踝痊愈训练，不但可以模仿传统的脚踝康复训练的方式，又可以补充传统方法中存在的缺点，具有如下益处：
机械能够被单一的复制，可以按照患者的数目来增加或缩小，很好的办理了人手不足的题目，而且机器可以持续劳动，能够充实满意患者对锻炼时间和强度的需要；
脚踝康复机能够节省理疗医生的工作时间，如此他们能够使用训练的时间来制订患者的脚踝康复计划。而脚踝康复机运行的数据也能够记录下来，用于对该患者先前训练成果比对；
脚踝痊愈机能够实时的获得患者脚踝的血液压力、流速等消息，迅速地做出反映，以便让康复锻炼变得更为完善，同时患者也能够从脚踝痊愈机的显示器上即使知道目前的康复的时间、速率、力度、周期等一系列康复数据；
脚踝康复机的锻炼数据，可以让医生察觉数据与医疗结果之间潜伏关系，从而发现康复训练的规律。
综上所述，脚踝康复机为脚踝康复患者带来佳音。伴着互联网技术发展，可实现远程康复训练以及一对多的康复训练[8]。
1.2 脚踝康复机研究状况
脚踝康复机是一种新兴的康复机器人技能，近年来，在脚踝康复部分的研制一样取得了不错的功效。
1.2.1国外研究状况
美国“Rutgers ankle”脚踝康复机
美国罗格斯大学研制的高低平台相连接。上平台经过6个支杆汽缸长度的变化来实现6个自由度的改变。可以说该机构是最先的并联机构。在控制系统方面采用了人机交互的趣味游戏，一改人们对以往康复枯燥无味的印象。如图1.1`和1.2所示，由支杆长度的变化实现自由度的变化，并在控制方面与计算机连接，呈现较为精确的数据型反应，开创了脚踝康复机的新思维，也给日后多国开展康复机的创新奠定了基础，具有指导性意义和思路，值得各国相关领域借鉴和采纳，实现了康复机的由理想化变为现实化的第一步。
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图1. 1 Rutgers ankle 机器人
图1. 2 脚踝康复机
韩国4自由度脚踝康复机
韩国的Yooh和Ryu建议可重构的气动双向活动平面4自由度踝关节痊愈外骨骼体系 [10]， 如图1.3所示。该机构利用两个组成的并联部分，使用控制系统来改变四个汽缸的伸出长度，来完成上部的平面带动脚踝完成跖屈、背屈、内旋、外旋等痊愈训练的举措。同时，能够通过四个汽缸带动平面的环抱，来完成脚踝康复环绕训练。另外，能够经过重组结构，构成平均锻炼仪。
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图1. 3 气动4自由度脚踝康复机
a)结构示意图 b)脚踝被动训练模式 c)平衡训练模式
英国伦敦大学研制的脚踝康复并联机构
经常的脚踝康复训练只可用到三个或者四个自由度，多余的自由度都将造成机构的臃肿。伦敦大学提出了如图1.4、1.5所示的脚踝康复机构方案[11]，让结构得到了极大的优化。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 脚踝康复机研究状况 2
1.3 脚踝康复机设计的技术难点 5
1.4 本文研究的内容 6
1.5 本章小结 6
2. 脚踝生理结构与康复手段 6
2.1 脚踝生理结构及其运动 7
2.2 传统脚踝康复的手段 7
2.3 本章小结 8
3. 脚踝康复机的结构及其比较 9
3.1 常见脚踝康复机机构 9
3.2 结构设计方案比较 10
3.3 机构方案确定 13
3.4 本章小结 14
4. 脚踝康复机的设计 14
4.1 脚踝康复机机构设计要求及医学参数 14
4.2 丝杆滑台的选型计算 15
4.3 步进电机的参数与选型 20
4.4 行星减速器选型计算 21
4.5 脚踝康复机整机布局 22
4.6 其他辅助的机构设计 22
4.7 本章小结 24
结论 24
致谢 25
参考文献 26
1 绪论
1.1 课题背景与意义
目前，随着长时间卧床不能运动患者的增多，瘫痪、下肢功能障碍等成为了常见的并发症。因为有患者的下肢持久得不到磨练，肌肉、基膜和结缔组织机能消退，变成肌肉硬化，乃至呈现废用性肌收缩等。小腿的三头肌连续痉挛而得不到牵伸就会致使跟腹挛缩，会使得本来可 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
逆转的足下垂转化为不反的足下垂。另外，假如患者长时间没法运动，肌肉就会呈现废用性的肌收缩，招致脚踝背伸肌肉群力气的减退，脚踝变得背伸困难，会变成患者肢足下垂、内翻及足跟不达到一般步行，引发骨髓、膝盖、脚踝痉挛等。
脚踝痊愈锻炼的根本方式是理疗师一对一的对患者举行脚踝背屈、跖屈、内翻、外翻、内旋、外旋的康复锻炼。该锻炼方式对患者脚踝功效的收复起到了举足轻重的功用，与此同时时为理疗医生积攒了珍贵的实践经验。但是，这种恢复方法的背后也有不足与缺点：
理疗医生只可同时对一位患者举行痊愈医疗，而当前必要接受治疗的患 者数目庞大，使理疗医师的需求量日趋增加，远满足不了患者的需要；
传统的手工锻炼方法要耗费理疗医师很多的时间和体能，没法保证充足的痊愈时间和充足的康复强度；
劳动力本钱的加多，致使传统手工锻炼的成本陡增，医疗支出庞大，成为普通家庭难以跨越的鸿沟；
病者也很难医生举行优秀的互动，锻炼的消息大概无法及时的反应，感化训练的安逸性，使痊愈训练变得味如鸡肋；
传统锻炼不可以记载训练的各类参数（比方：运转的轨迹、速率、角度等），只可靠医生的经历举行训练，得不到定量的阐发，对康复训练方法的改善带来了难题，而且对患者神经痊愈的研法带来问题 [45]。
如今社会，治疗物资比较紧张，很多的受伤患者丢失了早期康复医治的最有利时机，给患者的恢复造成了恶劣的影响 [67]。因此，拓展全新的病愈锻炼技术和加大抬高康复成效是办理患者肌肉收缩和防备深静脉血栓的确当之急。
计划脚踝康复机来对患者开展脚踝痊愈训练，不但可以模仿传统的脚踝康复训练的方式，又可以补充传统方法中存在的缺点，具有如下益处：
机械能够被单一的复制，可以按照患者的数目来增加或缩小，很好的办理了人手不足的题目，而且机器可以持续劳动，能够充实满意患者对锻炼时间和强度的需要；
脚踝康复机能够节省理疗医生的工作时间，如此他们能够使用训练的时间来制订患者的脚踝康复计划。而脚踝康复机运行的数据也能够记录下来，用于对该患者先前训练成果比对；
脚踝痊愈机能够实时的获得患者脚踝的血液压力、流速等消息，迅速地做出反映，以便让康复锻炼变得更为完善，同时患者也能够从脚踝痊愈机的显示器上即使知道目前的康复的时间、速率、力度、周期等一系列康复数据；
脚踝康复机的锻炼数据，可以让医生察觉数据与医疗结果之间潜伏关系，从而发现康复训练的规律。
综上所述，脚踝康复机为脚踝康复患者带来佳音。伴着互联网技术发展，可实现远程康复训练以及一对多的康复训练[8]。
1.2 脚踝康复机研究状况
脚踝康复机是一种新兴的康复机器人技能，近年来，在脚踝康复部分的研制一样取得了不错的功效。
1.2.1国外研究状况
美国“Rutgers ankle”脚踝康复机
美国罗格斯大学研制的高低平台相连接。上平台经过6个支杆汽缸长度的变化来实现6个自由度的改变。可以说该机构是最先的并联机构。在控制系统方面采用了人机交互的趣味游戏，一改人们对以往康复枯燥无味的印象。如图1.1`和1.2所示，由支杆长度的变化实现自由度的变化，并在控制方面与计算机连接，呈现较为精确的数据型反应，开创了脚踝康复机的新思维，也给日后多国开展康复机的创新奠定了基础，具有指导性意义和思路，值得各国相关领域借鉴和采纳，实现了康复机的由理想化变为现实化的第一步。
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图1. 1 Rutgers ankle 机器人
图1. 2 脚踝康复机
韩国4自由度脚踝康复机
韩国的Yooh和Ryu建议可重构的气动双向活动平面4自由度踝关节痊愈外骨骼体系 [10]， 如图1.3所示。该机构利用两个组成的并联部分，使用控制系统来改变四个汽缸的伸出长度，来完成上部的平面带动脚踝完成跖屈、背屈、内旋、外旋等痊愈训练的举措。同时，能够通过四个汽缸带动平面的环抱，来完成脚踝康复环绕训练。另外，能够经过重组结构，构成平均锻炼仪。
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图1. 3 气动4自由度脚踝康复机
a)结构示意图 b)脚踝被动训练模式 c)平衡训练模式
英国伦敦大学研制的脚踝康复并联机构
经常的脚踝康复训练只可用到三个或者四个自由度，多余的自由度都将造成机构的臃肿。伦敦大学提出了如图1.4、1.5所示的脚踝康复机构方案[11]，让结构得到了极大的优化。
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