康复训练下人机工程机械手臂设计探析

康复训练下人机工程机械手臂设计探析

1赵进 ,2侯伟 

1身份证号：610323198303222614

2身份证号：370923198910062934

摘要：人机工程机械手臂之所以会让民众如此向往，主要是因为与当下的各类康复设备相比，前者具备重量轻、制造成本低、可携带等突出优势，佩戴之后可为手臂受损的患者带去手、前臂等多部位的支撑，同时还能辅助患者展开康复训练，其正向价值突出。本文将围绕着“康复训练下人机工程机械手臂设计”的相关事宜展开具体论述和分享。

关键词：康复训练；人机工程机械手臂；设计理念和方案

引言：上肢残疾的患者在日常的手部功能上会存在明显障碍，比如说会出现肌力下降、肌张力异常、拇指运动范围大大缩小等诸多方面的症状表现，同时部分患者还会丧失触觉、感知等基本的能力，面对以上问题，如果可以设计出人机工程机械手臂，借此辅助患者展开康复训练，的确是很好的。

一、康复训练下人机工程机械手臂设计的基本原则

1.安全性的基本原则

手臂是人身上比较脆弱的一个部分，比如说手臂的关节就极易受到损伤，如果在人机工程机械手臂的设计上不够合理，就有可能导致严重的医疗事故，甚至由于机械手臂的使用而对手臂造成严重的二次伤害，所以在设计的过程中，设计师应该将安全放在首要位置，确保人机工程机械手臂可以维持较高的安全系数。比如说在设计时，设计师应该在手臂中融入安全保护装置，如此才能保证机械手臂在工作状态下、不会被其他运动干涉到，同时还应该在手臂与机构间的固定装置中融入了调节的功能，这样才能满足不同手臂尺寸患者的佩戴需要[1]。再次，还需要在手臂中融入康复训练的结果收集以及反馈系统，确保每一个患者在佩戴人机工程机械手臂的过程中及时接收相关信息，借此了解自己手臂的恢复情况，帮助患者树立恢复的信心，促进他们更好展开后续的康复训练。

2.舒适性原则

在设计人机工程机械手臂的时候，设计师需要以舒适作为基本的原则，保证患者在佩戴上机械手臂之后可以获得灵活的手臂功能，同时还能获得较为舒适的体验和感觉，让手臂在该机械设备的引导下维持顺畅的运动。

3简单性原则

也就是说，在设计人机工程机械手臂的过程中，设计师需要确保佩戴、操作的过程是最为简单化的，这是因为并非每个患者都系统地了解与人机工程机械手臂组成相关的专业性内容，如果设计太过复杂、繁琐，可能部分患者就无法科学、灵活地操作机械手臂，机械手臂的预设价值就无法被完全释放出来。

二、康复训练下人机工程机械手臂模型的设计与建立

在设计人机工程机械手臂模型的时候，需要结合人体的生理结构、惯性参数、关节的整体活动度、人体工程学等诸多方面展开。

1.机器人模型

康复机器人的主体结构包含两个不同部分，分别是床体和踏轮，床体主要是由床身以及升降平台这两个部分构成的。具体来说，在升降平台的上方和底座之间需要融入支撑杆、以此作为基本的连接依托，在此基础上还需要搭载电动推杆作为动力源，如此才能让升降机的上升、下降动作得以有效的推进和展开，而在机器人的床身部位则需要借助电动推杆、将它安装在平台的上方部位[2]。

2.运动机构力学模型的建立

通过系统计算，进一步明确床身机构转角与电动推杆长度之间存在的联系，在此基础上了解全身受力总成与电动推杆支撑力之间的关系，设计时需要按照各参数数值构建力学模型，为机器人模型的打造提供基本数据支撑。

3.运动机构运动学分析

借助ADS系统可以科学地建立运动机构的简单性模型，其中关键性的机构主要包含支撑杆、翻转架、电机模块、手臂等诸多方面。在进行康复训练的过程中，会影响到最终训练效果的主要因素有手臂的长度、床的高度、踏轮电机翻转角度以及投影距离等等，而在测试的过程中，支撑杆的长度已经被确定下来了，影响后续试验的变量较多，如果每个变量还选取多个不同数值进行测试，那测试的次数就会因此大大增加，为最大化减少测试的工作量、降低工作强度，同时又保证最终测试结果的准确性，建议采用正交试验的设计方法。所谓正交实验设计指的是一种围绕“多个不同水平因素”展开探索的方法。借助这一方法展开试验，可以在快速高效且节约总成本投入的情况下得到最终的结果，整体的性价比比较高。

具体来说，在过去有不少专业学者借助正交试验的方法展开了康复训练下人机工程机械手臂的试验操作，在试验的过程中，他们将踏轮电机翻转角度按照逐步增加15度的方式进行3重设计，初始角度为45度，而投影的距离分别为63.5、68.5和73.5厘米，在此基础上，学者在模型处添加驱动并且将角速度设定为每秒钟30，脚踏转两周的时间消耗为24秒，在完成以上基本设定之后正式开启仿真性的操作。最终得出的结论是：

一在电机翻转角度太大的情况下，人和踏板的水平距离将会直接影响到人体的正常康复训练，同时，在电机模块翻转角度处在一定范围下时，可以让人体的关节维持在正常的范围内，此外，对于关节比较脆弱的患者而言，关节活动的范围不能够过大，一般建议选择小的角度也就是45度，这样患者在展开日常康复训练的过程中会让关节处在允许变化的范围内

[3]。

二在该项研究中，最终还得出了关于髋关节角速度变化规律的结论，在实验的过程中发现，髋关节的角度一般维持先增再减的状态，在同一翻转角度下，髋关节的角度会随着距离的增加而增加。另外在角度被固定下来的情况下，髋关节的角度也会随着距离的增加而增加。手臂较长的人士，髋关节角度应该先降后增，手部较短的患者，髋关节的角度应该维持先增大后减小的状态。此外，对于髋关节等部位比较脆的人群，关节的活动范围应该被控制在适当的范围内，建议选择小角度，也就是45度角，按照以上方式去设定康复训练的机械手臂，可以让各个关节的活动受到限制，符合上肢康复训练的基本要求，就应该按照以上的实验数据去设定[4-5]。             

结束语：综上所述，本文围绕着康复训练下人机工程机械手臂设计的可能性以及模型这两个方面作为切入，展开了具体的论述和分享——在模型的构建以及可行性等方面做了系统的分析，旨在在现有康复手臂的基础上打造更显新颖、轻巧、穿戴方便的设备，为手部、髋部、手指损伤的患者提供更优化的康复训练帮助。事实上，如果能将这一模型打造出来，就可以为患者在临床上的康复训练带去更多助力，而且该设备还适用于家庭日常的训练，患者完全可以在出院后、在医生的指导下展开居家有效训练，对降低患者康复的资金支出有一定帮助。

参考文献：

[1] 李古强，于守娟，孟永春，等.康复辅助器具服务云平台的构建研究[J].中国卫生事业管理，2019（1）：5-8，16.

[2] 刘小方，鲁桂根，庄金贤.残疾人医疗康复现状及对策——以上海市金山区为例[J].海军医学杂志，2019（1）：61-64，68.

[3] 华剑.虚拟仿真软件在机械专业教学中的应用实践[J].大学教育，2020（2）：14-16.

[4] 吴毅，岳寿伟，窦豆.中国康复医学科学研究的发展历程[J].中国康复医学杂志， 2019（9）：1009-1013.

[5] 李春刚，郭辉，沈勇，等.轴承安装与固定的工艺参数研究[J].机械工程师，2020（3）：96-97，101.