周春臨，張紅健，李 芳，張新躍

ZHOU Chun-lin,ZHANG Hong-jian,LI Fang,ZHANG Xin-yue

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計，目前我國有不同程度的手指關(guān)節(jié)功能障礙的患者高達1000萬以上。我們研發(fā)的康復儀集手部關(guān)節(jié)推拿按摩、紅外線放射療法和磁感應療法于一體，是一種新型的醫(yī)療康復儀器。主要用于各種原因引起的手指關(guān)節(jié)不能自由活動患者的手指關(guān)節(jié)功能康復治療。能有效防止手指關(guān)節(jié)壞死、肌肉萎縮，促進血液循環(huán)，刺激手指神經(jīng)系統(tǒng)，使手指關(guān)節(jié)早日恢復功能。

1 設計方案

多功能手指關(guān)節(jié)康復儀由機械部分、紅外線發(fā)射部分、磁感應治療部分和可調(diào)速直流電源組成。其中，電機轉(zhuǎn)速可調(diào)，紅外線強度可調(diào)，推拿按摩力度可調(diào)。電機帶動執(zhí)行元件和傳動機構(gòu)工作，實現(xiàn)手指關(guān)節(jié)的屈伸和按摩功能。

1.1 凸輪機構(gòu)設計

1）電機的選擇

選用PM-33ZYJ永磁直流減速電機，其功率為1.5W～3.5W，轉(zhuǎn)速為1r/min～1000r/min，最大輸入電壓為12V。

2）凸輪柱結(jié)構(gòu)設計

（1）從動件運動規(guī)律的設計

根據(jù)按摩受力的要求，參考機械設計手冊，對凸輪采用了等加速等減速運動規(guī)律。

（2）凸輪輪廓曲線的設計（反轉(zhuǎn)法設計原理）

使整個機構(gòu)以角速度(-w)繞O轉(zhuǎn)動，其結(jié)果是從動件與凸輪的相對運動并不改變，但凸輪固定不動，機架和從動件一方面以角速度(-w)繞O轉(zhuǎn)動，同時從動件又以原有運動規(guī)律相對機架往復運動。根據(jù)這種關(guān)系，可以求出一系列從動件尖底的位置。由于尖底始終與凸輪輪廓接觸，所以反轉(zhuǎn)后尖底的運動軌跡就是凸輪輪廓曲線。

根據(jù)一般患者手部的大小和推拿按摩過程中手指屈伸的角度、凸輪對手部的理論作用力、理論推拿按摩面積和反復實驗修正，運用反轉(zhuǎn)法原理設計凸輪柱結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 凸輪柱結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作時凸輪和柔性托板對手部作用受力分析

當U＝12V時，凸輪轉(zhuǎn)速n＝40r/min，P ＝3.5W，凸輪遠休端手部受力最大。經(jīng)計算得F＝12.6 N。同理，當U = 6V時，凸輪轉(zhuǎn)速為n＝20r/min，P＝1.5 W，時手部受垂直力：F2＝18.29 N。通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和可調(diào)節(jié)性柔性托板，患者可選擇適宜自己的按摩力度?；颊呤褂脮r宜把柔性托板調(diào)到較低點，使柔性托板作用手部的力最小，然后再根據(jù)自己情況適當改變力度。同時，兩電機的工作檔位也宜從最低檔位開始。

圖2 凸輪對手部的伸張力分析

1.3 凸輪柱水平往復運動過程手部受力分析

圖3 凸輪水平往復運動的受力分析

根據(jù)理論力學原理可知：當傳動機構(gòu)位于圖3所示位置時，凸輪柱的水平速度最大，此時，vb＝va。當U＝12V時，電機功率為P＝3.5W，經(jīng)一級皮帶減速，曲柄的轉(zhuǎn)速為n＝34r/min，計算得到Fb＝79.55 N；當U＝6V時，電機功率為P＝1.5 W，曲柄輪的轉(zhuǎn)速為n＝12r/min，計算得到 Fb＝ 95.54 N。

2 總體方案的確定

2.1 各分功能結(jié)構(gòu)的組成

1）凸輪柱由凸輪軸、凸輪片、直徑為3毫米的銅柱和若干個活動小滾珠組成；

2）曲柄滑塊機構(gòu)由曲柄軸、曲柄輪、連桿和凸輪組成；

3）電機的選擇帶傳動機構(gòu)由帶輪軸、帶輪和皮帶組成；

4）可調(diào)節(jié)性柔性托板機構(gòu)由托板、彈簧、螺栓、三角托板、帶傳動組（V帶傳動，采用張緊輪張緊）和旋轉(zhuǎn)撥動輪組成；

5）紅外線裝置由電路板、21個紅外線發(fā)射管和24個普通發(fā)光二極管組成；

6）磁療裝置由安裝在儀器底座上4個固定磁塊和在凸輪柱內(nèi)部的2個磁塊組成；

7）電源電路裝置由交流變壓器（輸出電壓12V）、單片機、繼電器、液晶顯示器、電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)板等組成。

2.2 工作原理

圖4 凸輪傳動原理圖

可調(diào)速電機2通過凸輪軸帶動凸輪柱旋轉(zhuǎn)，與柔性托板機構(gòu)共同對手指進行按摩?？烧{(diào)速電機1與帶輪軸連接，經(jīng)過一級皮帶減速后，通過曲柄連桿機構(gòu)帶動凸輪柱作水平往復運動和可調(diào)節(jié)性柔性托板一起實現(xiàn)手指關(guān)節(jié)的屈伸運動。安裝在機體后內(nèi)側(cè)的紅外線裝置在按摩過程中發(fā)光發(fā)熱，促進患者手部的血液循環(huán)，增強了按摩效果。在按摩過程中，由于磁體自身運動角度的變化，產(chǎn)生循環(huán)的交變磁場，與手指關(guān)節(jié)的屈伸、推拿按摩、紅外線放射療法四位合一，康復效果好。

3 方案評價

3.1 各功能元的評價

3.1.1 凸輪機構(gòu)

凸輪的自轉(zhuǎn)運動和水平往復運動合成的復合運動實現(xiàn)手指的屈伸，用凸輪邊緣表面鑲嵌的小滾珠和可調(diào)節(jié)性柔性托板來實現(xiàn)對手指的按摩功能，且利用活動小滾珠自身的轉(zhuǎn)動減少了按摩過程中手部所受的摩擦力，安全性好。

3.1.2 紅外線放射療法

紅外線對人和生物體有熱效應，這種熱效應可以促進血液循環(huán)和新陳代謝，從而使人的疾病得到醫(yī)治和促進人的健康。

3.1.3 磁感應療法

實驗研究與臨床實踐證明，磁場對人體有多種治療作用，包括調(diào)整神經(jīng)功能、恢復代謝功能、增強抗病能力、消除疼痛、降低血脂等。磁療滿足了康復治療過程中的實際需要。

3.1.4 控制電路裝置

該裝置主要用于控制康復儀的工作時間，通過操作不同的按鈕可以實現(xiàn)對康復儀的工作時間的智能控制，患者可根據(jù)自身狀況選取推拿按摩時間，安全性好，極大地方便了患者及其家屬。

3.1.5 推拿按摩力度控制機構(gòu)

由于不同的患者對推拿按摩力度的需要不同，我們設計了柔性托板控制機構(gòu)。通過調(diào)節(jié)控制機構(gòu)的撥動輪來實現(xiàn)彈簧的垂直運動，從而牽制柔性托板的上升和下降，達到調(diào)節(jié)按摩力度的目的。

3.2 整體系統(tǒng)的評價

多功能的手指關(guān)節(jié)康復儀具有很多優(yōu)勢：填補了國內(nèi)市場的空白；操作簡單，安全可靠；經(jīng)濟性好，實用性強；應用范圍廣，老少皆宜；市場前景廣。

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