侯婭品，程秀芳，徐 千

(河北聯(lián)合大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山 063009)

在日常的關(guān)節(jié)損傷中，踝關(guān)節(jié)扭傷是創(chuàng)傷骨科中最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)傷，近年調(diào)查顯示，無(wú)論是成人還是青少年，踝關(guān)節(jié)損傷都較過(guò)去有明顯上升的趨勢(shì)。醫(yī)學(xué)理論和臨床醫(yī)學(xué)證明，對(duì)于踝關(guān)節(jié)扭傷的治療，除了早期必要的手術(shù)治療和藥物治療外，后期正確的、科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于肢體運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)和提高起到非常重要的作用。按摩是促進(jìn)肢體運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的重要手段，但醫(yī)師與患者間“一對(duì)一”的治療過(guò)程十分繁重［1］。隨著肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者逐年增多，各種各樣的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，但已有機(jī)構(gòu)大多訓(xùn)練踝關(guān)節(jié)某一個(gè)自由度，缺少多自由度的訓(xùn)練，不利于踝關(guān)節(jié)的全面康復(fù)。

踝關(guān)節(jié)共涉及伸屈、內(nèi)外翻、內(nèi)外旋三個(gè)自由度，其最主要的是伸屈、內(nèi)外翻兩個(gè)自由度，也是決定患者是否康復(fù)的最主要的兩種運(yùn)動(dòng)。針對(duì)這一特點(diǎn)，提出了一種鍛煉伸屈、內(nèi)外翻兩個(gè)自由度的臥式踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)方案，該機(jī)構(gòu)能夠模擬踝關(guān)節(jié)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，對(duì)偏癱、踝關(guān)節(jié)損傷患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，代替理療師繁瑣的人工訓(xùn)練任務(wù)。

1 機(jī)構(gòu)方案

圖1是該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，該康復(fù)機(jī)構(gòu)基于兩路傳動(dòng)系統(tǒng):

當(dāng)?shù)谝浑姶烹x合器接合時(shí)，第二電磁離合器自動(dòng)分離，形成第一條傳動(dòng)系統(tǒng):伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)諧波減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，減速器帶動(dòng)直齒輪的主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，第一電磁離合器一端聯(lián)接直齒輪的主動(dòng)軸，另一端聯(lián)接支撐板軸，在支撐板軸的帶動(dòng)下，支撐板和腳踏板作為一個(gè)整體上下擺動(dòng)，踝關(guān)節(jié)固定在腳踏板上，隨著腳踏板上下擺動(dòng)(即內(nèi)翻、外翻運(yùn)動(dòng))。此時(shí)，這對(duì)直齒輪和和直齒輪的主動(dòng)軸空轉(zhuǎn)，兩個(gè)錐齒輪、錐齒輪的主動(dòng)軸、錐齒輪的從動(dòng)軸、傳動(dòng)方桿均靜止不動(dòng)。

圖1 踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖

當(dāng)?shù)诙姶烹x合器接合時(shí)，第一電磁離合器自動(dòng)分離，形成第二條傳動(dòng)系統(tǒng):伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)諧波減速器，減速器聯(lián)接直齒輪主動(dòng)軸，主動(dòng)直齒輪帶動(dòng)從直齒輪轉(zhuǎn)動(dòng);第二離合器一端聯(lián)接直齒輪的從動(dòng)軸，另一端聯(lián)接錐齒輪的主動(dòng)軸，在錐齒輪主動(dòng)軸帶動(dòng)下，主動(dòng)錐齒輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)從動(dòng)錐齒輪完成空間90°傳動(dòng);傳動(dòng)方桿一端與錐齒輪從動(dòng)軸固定聯(lián)接，另一端加工一通孔，與腳踏板的中間軸套在一起;在錐齒輪的帶動(dòng)下，傳動(dòng)方桿不斷左右擺動(dòng)，從而帶動(dòng)腳踏板在支撐板中前后擺動(dòng)。踝關(guān)節(jié)固定在腳踏板上，隨著腳踏板前后擺動(dòng)(即伸屈運(yùn)動(dòng))。此時(shí)，支撐板軸和支撐板靜止不動(dòng)，且支撐板作為腳踏板的支撐，使腳踏板在支撐板內(nèi)左右擺動(dòng)。

2 機(jī)構(gòu)本體的設(shè)計(jì)

2.1 踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度和擺動(dòng)速度

踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)角度要大于正常走動(dòng)的角度而又小于人體極限的擺動(dòng)角度［2］，如此才能保證實(shí)現(xiàn)人體正確步行軌跡，又能保證安全，如表1所示。

表1 踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍

按照理療師的要求，在大于6s的時(shí)間內(nèi)完成背伸、跎屈運(yùn)動(dòng)，背伸0～20°，跎屈0～25°，那么按照要求，伸屈的角速度為

內(nèi)外翻的角速度為

按照較大的伸屈角速度確定腳踏板的轉(zhuǎn)速

2.2 電機(jī)的選型

調(diào)查一批正常人和一批腦卒中偏癱患者分別進(jìn)行背伸、跎屈，外翻、內(nèi)翻兩個(gè)自由度關(guān)節(jié)所需的力矩值［3］，踝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)所需的力矩最大值為M=25 Nm

因此，驅(qū)動(dòng)腳踏板所需功率為

考慮到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有功率損耗，故留出1.5倍余量，背伸/跎屈時(shí)，電機(jī)所需功率為

根據(jù)電機(jī)的功率、扭矩，選擇決定選用選擇松下A5交流伺服電機(jī):額定輸出功率為50 W，額定轉(zhuǎn)矩0.16 Nm，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min。設(shè)定該伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為400 r/min，其減速比為160。

2.3 諧波減速器的選型

單獨(dú)使用一個(gè)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩太小，需用減速器來(lái)增大扭矩，所以伺服電機(jī)后加一個(gè)減速器。綜合考慮各種減速器的特點(diǎn)，最終決定選用減速比高、體積小的電機(jī)直聯(lián)型諧波減速器。故驅(qū)動(dòng)元件選擇交流伺服電機(jī)+諧波減速器的方式，來(lái)提供輸出力矩。

根據(jù)減速比和扭矩的要求，選擇日本的Harmonic Drive LLC的CSF Series Ratings系列的型號(hào)為20的諧波減速器:減速比160，額定扭矩40 Nm。該減速器的兩端均為孔式輸出(輸入)，因此省去了聯(lián)軸器，減小了空間尺寸。

2.4 確定腳踏板尺寸

腳踏板尺寸是根據(jù)人足的實(shí)際尺寸來(lái)確定的。據(jù)調(diào)查，50%的女性足長(zhǎng)為240 mm左右，50%的男性足長(zhǎng)為260 mm左右。為適合所有人群，確定腳踏板的長(zhǎng)度為280 mm，并根據(jù)人腳的長(zhǎng)寬比例，寬為160 mm。并由此確定支撐板尺寸。

2.5 確定系統(tǒng)尺寸

由電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和減速器減速比可知，該傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比為1。設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)及尺寸圖如圖2所示，圖3為三維立體圖。

從尺寸圖中可以看出，傳動(dòng)系統(tǒng)由一對(duì)直齒圓柱齒輪、一對(duì)錐齒輪組成，這兩對(duì)齒輪傳動(dòng)比均為1，按照結(jié)構(gòu)尺寸需要，直齒輪的直徑為200 mm，錐齒輪的直徑為100 mm。

2.6 開(kāi)式圓柱齒輪設(shè)計(jì)

已知:傳動(dòng)比i傳=1，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸圖知，齒輪直徑d1=d2=200 mm，輸入功率P直齒=P電機(jī)η減=9.8 × 0.97 ≈9.5 W，輸入轉(zhuǎn)速 n直=2.5 r/min，載荷平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速低。

1)根據(jù)以上條件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸圖，設(shè)計(jì)齒輪主要參數(shù):模數(shù)m=5 mm，z1=z2=40，d1=d2=200 mm，

2)驗(yàn)算齒輪的彎曲強(qiáng)度

考慮到該康復(fù)機(jī)為小型低功率、低轉(zhuǎn)速機(jī)械，根據(jù)查表，兩個(gè)均齒輪選用45鋼正火，平均齒面硬度為200HBW，選用8級(jí)精度。

故σF＜［σF］=375 MPa，故這對(duì)齒輪強(qiáng)度足夠，合格。

2.7 開(kāi)式錐齒輪的設(shè)計(jì)

已知:傳動(dòng)比i傳=1，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸圖知，錐齒輪齒輪齒寬中點(diǎn)分度圓直徑d1=d2=100 mm，輸入功率 P錐齒=P電機(jī)η減η直=9.8 × 0.97 × 0.97≈9.2 W ，輸入轉(zhuǎn)速 n錐=2.5 r/min，載荷平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速低。

1)根據(jù)上述條件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸圖，設(shè)計(jì)錐齒輪的主要參數(shù):大端模數(shù)m=4 mm，大端分度圓直徑d1=d2=100 mm，齒數(shù)z1=z2=25

其他參數(shù):分錐角δ=90°，齒寬b=21 mm，齒寬中點(diǎn)分度圓直徑dm1=dm2=85 mm，錐距R=70.711 mm，當(dāng)量齒輪分度圓直徑dv1=dv2=120 mm，當(dāng)量齒輪模數(shù)mm=3.4 mm，當(dāng)量齒數(shù)比uv=1，當(dāng)量齒數(shù)zv1=zv2=34＞17，故該錐齒輪不會(huì)發(fā)生根切。

2)驗(yàn)算開(kāi)式錐齒輪的彎曲強(qiáng)度

故σF＜［σF］=375 MPa，故這對(duì)錐齒輪強(qiáng)度足夠，合格。

2.8 電磁離合器的選擇

本課題選用兩個(gè)電磁離合器，兩個(gè)離合器的轉(zhuǎn)速均為n離=2.5 r/min，傳遞的扭矩為M=25 Nm，所聯(lián)接的兩個(gè)軸的直徑均為φ25 mm。

根據(jù)傳遞的扭矩、轉(zhuǎn)速以及所聯(lián)接軸的直徑，以及負(fù)載特性、使用條件、使用環(huán)境，最終選用DLM5系列有滑環(huán)濕式多片電磁離合器。該離合器的規(guī)格和參數(shù):額定動(dòng)轉(zhuǎn)矩25 Nm，額定最高轉(zhuǎn)速3000 r/min。

驅(qū)動(dòng)腳踏板的力矩為M=25 Nm，在電磁離合器的額定動(dòng)轉(zhuǎn)矩25 Nm之內(nèi)。故滿足要求。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的臥式踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，通過(guò)接合不同的電磁離合器，控制踝關(guān)節(jié)進(jìn)行伸屈或是內(nèi)外翻的康復(fù)訓(xùn)練。該機(jī)構(gòu)能夠模擬踝關(guān)節(jié)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，可對(duì)偏癱、踝關(guān)節(jié)損傷患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，從而代替理療師繁瑣的人工訓(xùn)練任務(wù)。

［1］姚美霞，朱小紅，池月英，唐秋芳，等.電動(dòng)踝關(guān)節(jié)功能康復(fù)儀預(yù)防和矯正足下垂的效果觀察［J］.中國(guó)實(shí)用護(hù)理雜志，2007，23(4):16-18.

［2］余偉正，錢晉武.步行康復(fù)用踝關(guān)節(jié)系統(tǒng)的研究［D］.上海大學(xué)，2009，20-58.

［3］張煜，陳鷹，楊燦軍.踝關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療外骨骼系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2010:30-31.