摘要：针对当前下肢残疾患者众多而理疗师与新型康复设备短缺的状况，设计出可多关节按摩、辅助站立式康复轮椅。该轮椅包括一个靠背角度可以自动调节的轮椅和两组可以进行腿部按摩的机械装置构成，可适应不同身高和胖瘦的患者。本文详细介绍了该轮椅的结构和功能，以及各个部分的驱动方式，还介绍了对于使用者的安全保护措施。最后建立人机交互模型，对轮椅的结构及运动学进行理论分析，并结合临床医学理论数据对仿真结果进行验证。
关键词：下肢障碍者；辅助医疗器械；按摩；辅助站立；运动学分析
一、前言
我国人口老龄化问题的加剧使得助老助残问题成为一个重大的社会问题，助老助残事业和新型康复辅具研究也面临着前所未有的压力。
随着我国人口老龄化、高龄化比例和程度不断增长，老年人的慢性疾病患病率也大幅增加，慢性疾病尤其是心脑血管疾病患病率增高，中风现象普遍增多，导致下肢瘫痪老人群体规模不断扩大。由于发病部位的神经组织受到一定程度的损害，使患者在心脑血管病治愈后表现出不同程度的肢体瘫痪，即肢体正常运动功能障碍，其中偏瘫患者占较大比重。患者出现肢体瘫痪，情绪也会产生波动，且其他疾病也会接踵而至，使康复难度大幅提高。然而，我国人口的加速老龄化和心脑血管疾病多发的背后隐藏着一个巨大的市场，即老年市场。高龄老年人，尤其是行动不便的下肢瘫痪老人，自我照料能力差，需要医务人员辅助护理，而护理劳动强度较大，费用较高，给家庭带来沉重的经济压力和心理负担，所以下肢瘫痪老人的护理条件急需改善，辅助医疗设施需要完善。
二、机械设计
本方案设计的按摩轮椅主要包括对称安装的左、右两个小腿按摩装置、一个位于座椅的大腿按摩装置、一个辅助站立支撑机构、一个触摸显示屏和一个“靠背”角度可自动调节的座椅以及多个测量、控制元器件，该按摩轮椅可以通过按摩轮循环刺激人体腿部肌肉。还可以设置多种按摩模式。同时本套按摩轮椅可以实现轮椅的站姿、躺姿、坐姿之间的变形和固定以及多角度躺姿的调节与固定。
3.1 小腿按摩装置设计
由于按摩轮椅用于按摩小腿的机构左右对称，所以下面只对单侧结构进行详细介绍。两个小腿按摩装置固定在轮椅活动底座上，左右两侧的小腿按摩装置由旋向相反的滚珠丝杠连接，在电动机的驱动下，可以实现整个机械腿的左右移动，以调节两机械腿的间距使其适应胖瘦不同的患者。
小腿按摩装置结构简，电动机通过减速器输出对一组锥齿轮进行驱动，在锥齿轮所在轴上装配有三个曲柄滑块机构，每个曲柄滑块机构上都装有一个可自由转动的按摩滚轮，通过按摩滚轮在小腿外侧、内侧的直线滚动按摩，可以实现对使用者腿部大部分肌肉的按摩和放松。同时设置安全限位机构，限位销与急停开关构成机械限位结构。一旦机器发生故障导致其旋转角度超出了设定运动范围或者按摩滚轮运行异常，则限位销先碰触行程开关控制电动机断电，迫使运动停止，以保护患者的腿部的绝对安全，避免二次损伤。
3.2 大腿按摩装置设计
大腿按摩装置由一个步进电机、一个电机支撑板、一个直齿轮、一个带突出轴及齿轮的圆盘、一套锥齿轮传动机构、一对齿条机构以及两个按摩轮构成。
当开启腿部按摩时，电机开始通过齿轮减速机构对带突出轴的圆盘进行驱动，突出轴转动时会同时驱动两侧的缺齿齿轮运动，两侧的缺齿齿轮会驱动齿条进行直线运动，最后按摩轮与齿条进行铰接，可以实现对人大腿的大部分面积的滚动按摩。
3.3 辅助站立机构设计
本套机构可以实现轮椅的站姿、躺姿、坐姿之间的变形和固定以及多角度躺姿的调节与固定。
实现站立起身时，13躺姿丝杠机构固定，11站立滑块在丝杠的带动下沿丝杠向前方移动，带动9站立连杆运动，进而推动5坐板绕与12机架所链接的轴转动；同时13躺姿丝杠自锁以致8躺姿动力连杆锁定，进而使7转动连杆锁定，此时5坐板、6移动连杆、7转动连杆以及1靠背组成双摇杆机构，7转动连杆为机架杆，连杆6拉动靠背绕靠背与坐板的铰接轴转动，最终实现站姿。站立实现过程中，10站立丝杠机构自锁，使装置不会坍塌。站姿实现后，10站立丝杠机构自锁，1靠背上一杆弹出插入4靠背固定板弧形部分最后一个圆孔达到支撑效果。复位时同理，只需11站立滑块向后移动即可，不再赘述。
3.4 腿部长度调节装置设计
图1 腿部长度调节装置装配图
腿部长度调节装置由电机-联轴器-轴承座-丝杠-T型螺母-螺母座-轴套构成，电机与轴承座通过螺钉固定在左侧小腿按摩装置上，T型螺母通过螺母座与右侧小腿按摩装置连接。当需要调节长度时，电机可以驱动T型螺母带动右侧小腿进行移动，以满足不同体型人群的需求。
3.5 按摩轮椅减震设计
考虑到本方案设计的按摩轮椅用户多为下肢残疾患者，所以轮椅设计需要有很好的减震性能，保证轮椅在运行过程中的震动、波动都在允许的安全范围内，不会对人体造成二次伤害。为大腿按摩装置的减震弹簧及安装位置设计，当按摩大腿的缺齿齿轮-齿条机构运行时，需要保证齿轮齿条机构的稳定性与行程可靠性。为此在相对的两个齿轮齿条机构之间连接有两个线径1.2以上的减震弹簧，可在很大程度上缓解齿轮齿条机构的机械振动与对患者可能造成的伤害。
为整套按摩轮椅的减震器，在轮椅地盘与座椅支撑板之间装配有两套线性减震器，可以在很大程度上减轻按摩器及辅助站立机构在运行过程中产生的震动，同时也可以减轻轮椅在坑洼地区移动时产生的震动。
3.6 按摩轮椅安全性设计
控制开关装配在用户右手的扶手上，用户可以自行控制按摩器按摩的时间、力度及位置，也可以控制辅助站立机构帮助用户进行站立。同时当用户感受到机器运行异常对身体造成不适感的时候，用户可以按下急停开关控制电机停止运行，则此时由缩进机构控制按摩轮椅停在安全位置。
四、结束语
本方案设计了一种具有辅助站立功能的下肢按摩轮椅，该按摩轮椅可以通过按摩轮循环刺激人体腿部肌肉，还可以设置多种按摩模式。同时本套按摩轮椅可以实现轮椅的站姿、躺姿、坐姿之间的变形和固定以及多角度躺姿的调节与固定。最后建立人机交互模型，对轮椅的结构及运动学进行理论分析，仿真结果表面，本方案设计的按摩轮椅结构精巧，设计合理，具有一定的应用价值，但其医疗效果需要进一步验证。
五、参考文献
[1]陈代, 李菲, 刘珊,等. 康复按摩轮椅:, CN105853088A[P]. 2016.
[2]周罗治非, ZHOULUOZhi-fei. 浅谈轮椅的研究现状及其在神经损伤中的康复应用[J]. 按摩与康复医学, 2014, 5(2):208-211.
论文作者:李英朝,雷孟宇,李佳宁,杨书惠
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：轮椅论文; 机构论文; 装置论文; 齿轮论文; 小腿论文; 齿条论文; 腿部论文; 《电力设备》2018年第19期论文;