脚踝康复机设计机械设计
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 6
1.4 本文研究的内容 6
1.5 本章小结 7
2. 脚踝生理结构与康复手段 7
2.1 脚踝生理结构及其运动 7
2.2 传统脚踝康复的手段 9
2.3 本章小结 11
3. 脚踝康复机的结构及其比较 11
3.1 常见脚踝康复机机构 11
3.2 结构设计方案比较 12
3.3 机构方案确定 17
3.4 本章小结 17
4. 脚踝康复机的设计 17
4.1 脚踝康复机机构设计要求及医学参数 18
4.2 脚踝肌肉群力矩分析 19
4.3 丝杆滑台的选型计算 20
4.4 步进电机的参数与选型 25
4.5 行星减速器选型计算 26
4.6 脚踝康复机整机布局 27
4.7 其他辅助的机构设计 28
4.8 本章小结 29
5. 机构受力及运动分析 30
5.1 执行机构应力与变形的简单有限元分析 30
5.2 运行过程中的力矩、角度变化 32
5.3 本章小结 33
结论 34
致谢 35
参考文献 36
1 绪论
1.1 课题背景与 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
8
4.8 本章小结 29
5. 机构受力及运动分析 30
5.1 执行机构应力与变形的简单有限元分析 30
5.2 运行过程中的力矩、角度变化 32
5.3 本章小结 33
结论 34
致谢 35
参考文献 36
1 绪论
1.1 课题背景与意义
目前，随着长期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。由于患者的下肢长期得不到锻炼，肌肉、基膜和结缔组织性能减退，造成肌肉僵硬，甚至出现废用性肌萎缩等。小腿的三头肌持续痉挛而得不到牵伸就会导致跟腹挛缩，会使得原本可逆的足下垂转变为不可逆的足下垂。此外，如果患者长期无法运动，肌肉就会出现废用性的肌萎缩，导致脚踝背伸肌肉群力量的减退，脚踝变得背伸困难，会造成患者肢足下垂、内翻及足跟不能正常走路，引发骨髓、膝盖、脚踝痉挛，因此预防与矫正足下垂是对这类患者护理工作的重点[1-3]。
脚踝康复训练的基本方法是理疗师一对一的对患者进行脚踝背屈、跖屈、内翻、外翻、内旋、外旋的康复训练。该训练方法对患者脚踝功能的恢复起到了至关重要作用，同时为理疗医师积累了宝贵的实践经验。然而，这种康复方式背后也存在着不足与弊端：
理疗医师只能同时对一名患者进行康复治疗，而目前需要接受治疗的患者数量巨大，使理疗医师的需求量日益增多，远满足不了患者的需求；
传统的手工训练方式需要耗费理疗医师大量的时间和体力，无法保证充足的康复时间和足够的康复强度；
劳动力成本的增加，导致传统手工训练的成本陡增，医疗开支巨大，成为普通家庭难以越过的鸿沟；
患者也很难医师进行良好的互动，训练的信息可能无法及时的反馈，影响训练的舒适性，使康复训练变得枯燥无味；
传统训练不能记录训练的各种参数（比如：运行的轨迹、速度、角度等），只能靠医师的经验进行训练，得不到定量的分析，对康复训练方法的改进带来了困难，并且对患者神经康复规律的研究带来挑战 [4-5]。
当今社会，医疗物资相对紧缺，相当多的受伤患者失去了早期康复治疗的最有利时机，给患者的康复带来了严重的影响 [6-7]。因此，开拓新的康复训练手段和进一步提高康复效果是解决患者肌肉萎缩和预防深静脉血栓的当务之急。
设计脚踝康复机来对患者进行脚踝康复训练，既可以模拟传统的脚踝康复训练的方法，又可以弥补传统方法中存在的不足，具有如下优点：
机器可以被简单的复制，可以根据患者的数量来增加或减少，很好的解决了人手不足的问题，并且机器可以连续工作，不知疲倦，可以充分满足患者对训练时间和强度的需求；
脚踝康复机能够节约理疗医师的工作时间，这样他们可以利用训练的时间来制订患者的脚踝康复方案。而脚踝康复机运行的数据也可以记录下来，用于对该患者前后训练结果比对；
脚踝康复机能够及时的获取患者脚踝的血液压力、流速等信息，快速地做出响应，以便让康复训练变得更加完美，同时患者也可以从脚踝康复机的屏幕上实时了解到当前康复的时间、速度、力度、周期等一系列康复数据；
脚踝康复机的训练数据，可以让医师发现数据与治疗结果之间潜在关系，从而发现康复训练的规律。
总而言之，脚踝康复机为脚踝康复患者带来福音。随着互联网技术发展，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术，20世纪80年代是康复机器人的起步阶段，其研究主要集中分布在美国、英国、加拿大、欧洲、日本等5个工业区内的56个研究中心[9]。进入90年代后，随着传感器技术的快速发展，康复机器人也得到了全面的发展。目前，融合了先进传感器技术和康复方案的康复机器人在康复治疗和护理领域得到了广泛运用。近年来，在脚踝康复部分的研制同样取得了不错的成果。
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“Rutgers ankle”是一台基于 Stewart 平台可远程控制并带有虚拟现实力反馈的脚踝康复机系统[9]，如图1.1，1.2所示。Stewart 平台通过6根支杆汽缸将定平台与动平台连接，而通过球铰链将支杆与上下平台相连接。上平台通过6个支杆汽缸长度的变化来实现6个自由度的改变。可以说该机构是最早的并联机构。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。同时，6个支杆汽缸的末端还安装了力与力矩的传感器来采集康复过程中的受力数据。这些采集的受力数据通过互联网技术上传给远处的理疗医师，从而让医师了解到患者的康复情况，也可以现实远程的控制、指导和评估等功能。
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
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 6
1.4 本文研究的内容 6
1.5 本章小结 7
2. 脚踝生理结构与康复手段 7
2.1 脚踝生理结构及其运动 7
2.2 传统脚踝康复的手段 9
2.3 本章小结 11
3. 脚踝康复机的结构及其比较 11
3.1 常见脚踝康复机机构 11
3.2 结构设计方案比较 12
3.3 机构方案确定 17
3.4 本章小结 17
4. 脚踝康复机的设计 17
4.1 脚踝康复机机构设计要求及医学参数 18
4.2 脚踝肌肉群力矩分析 19
4.3 丝杆滑台的选型计算 20
4.4 步进电机的参数与选型 25
4.5 行星减速器选型计算 26
4.6 脚踝康复机整机布局 27
4.7 其他辅助的机构设计 28
4.8 本章小结 29
5. 机构受力及运动分析 30
5.1 执行机构应力与变形的简单有限元分析 30
5.2 运行过程中的力矩、角度变化 32
5.3 本章小结 33
结论 34
致谢 35
参考文献 36
1 绪论
1.1 课题背景与 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
8
4.8 本章小结 29
5. 机构受力及运动分析 30
5.1 执行机构应力与变形的简单有限元分析 30
5.2 运行过程中的力矩、角度变化 32
5.3 本章小结 33
结论 34
致谢 35
参考文献 36
1 绪论
1.1 课题背景与意义
目前，随着长期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。由于患者的下肢长期得不到锻炼，肌肉、基膜和结缔组织性能减退，造成肌肉僵硬，甚至出现废用性肌萎缩等。小腿的三头肌持续痉挛而得不到牵伸就会导致跟腹挛缩，会使得原本可逆的足下垂转变为不可逆的足下垂。此外，如果患者长期无法运动，肌肉就会出现废用性的肌萎缩，导致脚踝背伸肌肉群力量的减退，脚踝变得背伸困难，会造成患者肢足下垂、内翻及足跟不能正常走路，引发骨髓、膝盖、脚踝痉挛，因此预防与矫正足下垂是对这类患者护理工作的重点[1-3]。
脚踝康复训练的基本方法是理疗师一对一的对患者进行脚踝背屈、跖屈、内翻、外翻、内旋、外旋的康复训练。该训练方法对患者脚踝功能的恢复起到了至关重要作用，同时为理疗医师积累了宝贵的实践经验。然而，这种康复方式背后也存在着不足与弊端：
理疗医师只能同时对一名患者进行康复治疗，而目前需要接受治疗的患者数量巨大，使理疗医师的需求量日益增多，远满足不了患者的需求；
传统的手工训练方式需要耗费理疗医师大量的时间和体力，无法保证充足的康复时间和足够的康复强度；
劳动力成本的增加，导致传统手工训练的成本陡增，医疗开支巨大，成为普通家庭难以越过的鸿沟；
患者也很难医师进行良好的互动，训练的信息可能无法及时的反馈，影响训练的舒适性，使康复训练变得枯燥无味；
传统训练不能记录训练的各种参数（比如：运行的轨迹、速度、角度等），只能靠医师的经验进行训练，得不到定量的分析，对康复训练方法的改进带来了困难，并且对患者神经康复规律的研究带来挑战 [4-5]。
当今社会，医疗物资相对紧缺，相当多的受伤患者失去了早期康复治疗的最有利时机，给患者的康复带来了严重的影响 [6-7]。因此，开拓新的康复训练手段和进一步提高康复效果是解决患者肌肉萎缩和预防深静脉血栓的当务之急。
设计脚踝康复机来对患者进行脚踝康复训练，既可以模拟传统的脚踝康复训练的方法，又可以弥补传统方法中存在的不足，具有如下优点：
机器可以被简单的复制，可以根据患者的数量来增加或减少，很好的解决了人手不足的问题，并且机器可以连续工作，不知疲倦，可以充分满足患者对训练时间和强度的需求；
脚踝康复机能够节约理疗医师的工作时间，这样他们可以利用训练的时间来制订患者的脚踝康复方案。而脚踝康复机运行的数据也可以记录下来，用于对该患者前后训练结果比对；
脚踝康复机能够及时的获取患者脚踝的血液压力、流速等信息，快速地做出响应，以便让康复训练变得更加完美，同时患者也可以从脚踝康复机的屏幕上实时了解到当前康复的时间、速度、力度、周期等一系列康复数据；
脚踝康复机的训练数据，可以让医师发现数据与治疗结果之间潜在关系，从而发现康复训练的规律。
总而言之，脚踝康复机为脚踝康复患者带来福音。随着互联网技术发展，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术，20世纪80年代是康复机器人的起步阶段，其研究主要集中分布在美国、英国、加拿大、欧洲、日本等5个工业区内的56个研究中心[9]。进入90年代后，随着传感器技术的快速发展，康复机器人也得到了全面的发展。目前，融合了先进传感器技术和康复方案的康复机器人在康复治疗和护理领域得到了广泛运用。近年来，在脚踝康复部分的研制同样取得了不错的成果。
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“Rutgers ankle”是一台基于 Stewart 平台可远程控制并带有虚拟现实力反馈的脚踝康复机系统[9]，如图1.1，1.2所示。Stewart 平台通过6根支杆汽缸将定平台与动平台连接，而通过球铰链将支杆与上下平台相连接。上平台通过6个支杆汽缸长度的变化来实现6个自由度的改变。可以说该机构是最早的并联机构。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。同时，6个支杆汽缸的末端还安装了力与力矩的传感器来采集康复过程中的受力数据。这些采集的受力数据通过互联网技术上传给远处的理疗医师，从而让医师了解到患者的康复情况，也可以现实远程的控制、指导和评估等功能。
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
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