被动式下肢康复训练机
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被动式下肢康复训练机 发布于:2020/10/12
    有一次,我的好朋友踢足球时摔倒了,导致腿部骨折,不得不打石膏固定一段时间。
  我陪他做康复训练时注意到了椭圆机。能否将其改进后用于康复训练,帮助下肢功能受损的人快速康复?
  一、设计要求
  被动式下肢康复训练机适用于術后可站立的人,能模拟正常人行走时的步态,最大承重可达80kg,占地面积应小于1m2。可设置训练次数与频率,训练时的噪声要小。
  二、设计方案
  被动式下肢康复训练机由单片机控制系统、步态控制结构、脚踏板姿态控制结构三部分组成。单片机可控制减速电机的速度,电机转速由测速传感器反馈给单片机,就可得到训练的速度与时间。
  脚踏板前、后两侧装有压力传感器,可测量脚掌的前、后受力情况,收集运动时的数据,以便参考。
  三、电子硬件部分
  1.单片机
  本产品利用Arduino UNO控制。Arduino UNO能通过收集传感器的反馈信息,更好地控制机器运转。微控制器可编写程序,并将其编译成二进制文件,烧录进微控制器。
  选取Arduino UNO的主要原因在于其小巧、高效,符合多点监控系统小、精、准的要求。另外,它可以同时对不同的传感器执行编程命令,并将其完美结合。
  2.压力传感器
  薄膜式压力传感器可靠性高、维护简单、安装方便,能精确地测量用户的脚部压力及脚在踏板上的压力分布。
  3.型材
  采用4040欧标铝型材,它重量轻,防腐能力强,处理性能良好,易于组装及改变接口位置。
  4.直线导轨
  滑动摩擦导轨抗磨损,精度高,易拆卸,组装简单,它能支撑、引导运动部件按指定的方向做往复直线运动。
  5.姿态传感器
  我们装备的是MPU-6050姿态传感器,它小而精,可在不同环境下测量脚踏板与水平面的夹角,且不占空间,稳定性极强。
  四、整体结构
  1.曲柄结构
  曲柄结构通过电机转动传导至曲柄,可使脚踏板前后摆动。
  2.直线滑轨结构
  我们用斜置的直线滑轨来改变脚踏板角度,使普通的椭圆机产生正常人行走的步态角度。
  3.脚踏板结构
  脚踏板主要用于康复机的踩踏,同时改变足部摆角,使其产生贴近于正常人行走时的步态。
  五、程序设计
  被动式下肢康复训练机的程序设计如图2所示,在每一步电机动作后加入查停程序,增大了可控性,达到可随动、随停的效果,避免使用中由于未能及时停机而导致事故发生。
  此外,训练机上的两个电位器可分别读取训练的次数与速度,电机上的编码器可让机器判断是否达到该值。开始运转后,主控根据编码器反馈的转速改变PWM信号,使电机转速达到给定的要求,踏板运行完成指定的次数后,程序结束。
  六、系统的测试和结果分析
  1.空载测试
  首先测试控制系统,随后进行空载测试。开启相应的运行模式,训练机能以每分钟60次的步频运转,无异常反应,并能根据控制调节步频转换运行频率。
  2.负载测试
  选取5名不同体重的测试者,其体重分别为45.9kg、51.3kg、63.1kg、75kg、81.4kg,以每分钟30次的步频进行测试。
  结果表明,每名测试者均能在训练机上正常行走,基本达到设计要求。
  七、进一步改进
  被动式下肢康复训练机结构稳定,可靠性高,便于维护,能有效帮助做了下肢手术的患者进行康复训练。
  1.增加更多的调节结构,例如调节滑轨倾角的结构,让训练机能根据不同人的身高、体重及腿部状况,调节脚踏板角度。
  2.增加传感器,例如在腿部加装肌肉电传感器来分析用户的康复状况。
  3.结合传感器反馈的智能控制算法,达到全自动控制,根据身体信息优化康复训练计划。作者:戴玮廷 齐亚坤 来源:发明与创新·中学生
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