全国大学生机械创新设计大赛作品说明书

基于CPM康复理论的手肘运动康复训练器械设计说明书

设计者：谢群，张万军，李建清

指导教师：潘慧龙，周伦

（西南交通大学机械工程学院，成都610031）

[摘要]：本产品涉及一种运动功能障碍患者如肘部手术，长期卧床病患进行康复训练的设备，特别涉及一种针对前肢肘关节，腕关节功能康复训练，以促进运动功能恢复的CPM康复机器。该产品突出解决康复器械机械传动和使用单片机和简化传感装置实现系统自动控制问题，具有一定的可移植性，用以提高康复器械的可靠性，实用性，易用性，实现康复机械的智能化。

[关键字]：肘关节；CPM机；单片机控制

●技术领域

本产品涉及一种运动功能障碍患者如肘部手术，长期卧床病患进行康复训练的设备，特别涉及一种针对前肢肘关节，腕关节功能康复训练，以促进运动功能恢复的CPM康复机器。该产品突出解决康复器械机械传动和使用单片机和简化传感装置实现系统自动控制问题，具有一定的可移植性，用以提高康复器械的可靠性，实用性，易用性，便携性，实现康复机械的智能化。

●研究背景

目前，我国每年有120-150万人患中风，其中多半残留严重的后遗症，影响生活质量。由于受到各种因素的制约，多数不可能在医院长期接受康复治疗，出院后进行自主锻炼是一种有效的方法。对于中风病人，对其偏瘫部位进行康复训练是十分重要和关键的医疗手段，及早进行康复训练可以大大减少残疾的

可能性。[1]另一方面，由于事故，运动意外伤害等引起的肢体受伤病人的临床症状也需要及时的康复训练。

运动康复训练是通过运动刺激，提高运动功能障碍患者患部运动功能的一个主要康复手段。目前上述病人的康复训练或康复治疗，主要是由经验丰富的医生根据病人的病情和恢复情况，亲自操纵康复训练装置，对病人的肢体施加一定大小的作用力，引导病人进行往复的肢体运动锻炼。在偏瘫上肢训练中引入机器人技术，其优点在于，机器人不存在疲倦问题，能够满足不同患者对训练强度的要求；实现自动控制，可以客观的记录训练过程中患者患肢的各种运动参数，供医生分析，以评价治疗效果；使用机器人技术，使得远程治疗和集中治疗（一名医生同时为多名患者提供指导）成为可能。国外现有的康复医疗装置中，比较典型的是CPM机。

CPM（Continuous Passive Motion）即连续被动运动理论，是康复医学中理论成熟的针对术后恢复及偏瘫患者康复训练治疗理论，最早应用于骨科治疗。

“骨科医生常使用连续被动运动疗法或CPM 来帮助患者在关节受伤后或关节手术后实现康复。手术后，许多患者出现疼痛，导致患者无法充分活动关节以重新获得正常的关节活动度。关节周围的组织因为缺乏运动而变得僵硬，并将开始出现疤痕。

术后利用CPM机进行康复治疗时，关节在关节活动范围内活动的时间得以延长。这一用途通过增大关节活动度可大大缩短康复时间，促进关节表面和软组织复原，减少粘连和疤痕组织的形成，并减少关节强硬。研究表明，与接受同种手术但没有使用CPM机进行康复治疗的患者相比，使用CPM机进行治疗的患者需要的止痛药物较少……”[2]

（1）CPM机治疗实例

基于连续被动运动理论而设计的CPM机，是目前为止唯一的一个机器人生物力学或生物物理化学的应用的例证。其中典型的康复机器人设备是美国麻省理工学院研制的MITMANUS，它有两个自由度，可以实现病人的肩，肘运动。国内的类似设备比较少，南航开发了一种康复医疗机械手臂，采用单片机和步进电机控制；江浙一些企业也参与CPM类似的康复机械臂装置。[3] 通过检索国家知识产权局（https://www.360docs.net/doc/443092309.html,）提供的专利数据，通过对相关领域大量专利分析比较，技术成熟且具一定代表性如[公开号CN14801184]、[公开号CN1736357A]、[ZL专利号200420019014.X]等专利。

但以上康复机械都存在一些共同的缺陷：

1）机构设计不尽合理，运动角度和速度控制不足，运动训练方式单一；

2）需要医生实地亲自操作，实施一对一的治疗，或按预先设定路径运动，不能实现医患交互；

3）没有运动位置检测，不能提供训练信息反馈；

4）病人不能自主运动，操作缺少人性化和易用性。

设计内容

（2）产品示意图

本产品设计主要分为两个部分：

第一. 机械设计部分

主要设计思路:通过一个动力源（小型直流电机）实现类肘关节自身运动的往复运动，在机构部分实现往复过程中角度可调，速度可调，实现临床常采用运动模式。

通过查询有关人体工学资料，暂定可实现最大往复角度130度，即50度——180度区间范围。角度调节拟采用无级调节机构，速度调节采用电机控制实现的无级调速或通过控制直流电机输出实现。针对使用安全性，机构设计同时需要急停保护装置，速度和角度的最高限定装置等。同时作为产品，需考虑使用舒适度，可携带性，外观设计等因素。

设计流程：先期通过ADAMS动态仿真软件建立原理验证模型，通过虚拟样

机仿真，完成机构定型工作；之后在AUTOCAD按1：1比例建模，通过修改模型最终定型；通过AUTOCAD出加工图；联系学校机械中心加工完成实物。

转动方案：比较齿轮传动方案，链轮传动方案和同步带轮传动方案，我们选择了同步带轮的传动方案，主要基于以下分析：带传动作为一种中间挠性件的传动方案，能缓和载荷冲击，在往复运动中能减少对肘部冲击；运行平稳，无噪音，适合家庭及医院环境下使用；在出现过载时引起带在带轮上打滑，起到一定的保护作用；同步带靠啮合传动，可以保证执行同步；制造和安装精度不如啮合传动严格。

（3）总体传动方案示意

以下为同步带传动的计算过程：

名义功率：

10-kw

p取p=50*3

计算功率：

Pc=Ka*p,由查表得Ka=1.4*1.1

10-kw

Pc=50*1.4*1.1=66*3

选择带型和节距：

型号：xl

节距：5.080mm

基本带宽b=9.5mm

齿数：

z1>=Zmin

由表查得Zmin=13

取z1=13

z2=25

i=z2/z1=25/13=1.923

带轮节圆直径：

d1=z1*p/pi=13*5.080/13=21.02mm

d2=z2*p/pi=25*5.080/13=40.43mm

带速：

v=pi*d1*n/(60*1000) 其中n=50rpm

=pi*21.02*50/(60*1000)

=0.056m/s

由表可查得：

xl 型带由Vmax=50m/s

则由v

由带型表可查，并选取带基本长度Lp=558.80mm

中心距a 有：

a =

(*)/4/4L pi Dm -+ 其中Dm=(d1+d2)/2

=(21.02+40.43)/2

=30.725mm

▲＝(d2-d1)/2

=(40.43-21.02)/2

=9.705mm

则可计算得：a=230.95mm,也就是设计中取的实际中心距

小带轮啮合齿数：

Zm=z1/2-p*z1*(z2-z1)/(20*a)

=13/2-5.080*13*(40.43-21.02)/(20*230.95)

=6.238

圆整得Zm=6

齿数选择：小带轮齿数22，大带轮齿数25

带型号选择：XL —150带

(4)同步带轮实物

驱动方式的选择：我们考虑分析比较：交流电机虽然功率较大但相应体积较大，不适合作为便携式设备的驱动，并且交流电机使用市电作为电源，漏电的安全保护欠缺；步进电机在往复控制，位置确定的实现上有较大优势，简便易行，但其输出转矩较小，经计算远不能达到驱动手臂运动的要求转矩输出，并且价格也最为昂贵，不利于降低产品的成本。综上比较我们选择齿轮减速直流电机作为驱动，它较好的解决其他两种电机的突出矛盾。

对所需直流电机参数计算如下：

1.电机功率公式：

P=Tω

其中，T为转矩，单位N?m；ω为角速度，单位rad/s。在电机工作的范围内任何状态均适用。

直流电机的最大功率对应于转矩为1/2最大转矩，转速为1/2最大转速（即空载）的工况，公式为：Pm=1/4*Tmax*ωmax

但在选择时应该设法让电机运转在最佳状态，以便获得更长的运行时间。

2.电机速度。

转速是关键指标，通常以r/min标记。根据以下公式估算手臂速度：

Vr=(VmDπ)/60

Vr为手臂往复的线速度，Vm为电机转速

S=(v/60)piD

v电机转速，D驱动轮直径

经查阅相关人体工学资料，肘部往复频率的最高限度大约在60次/分，我们已据此进行计算相应电机转速。

通过计算，选择额定功率50W，额定电压24V，输出转速为50r/min的齿轮减速直流电机。

（5）直流电机实物

检测装置设计：经广泛查阅相关机器人传感检测方面的资料，获得信息关于位置检测，角度检测及压力检测的相关技术。常见的技术如电容式传感器，压电陶瓷材料，及应变片装置等。但是经分析，作为一种小型康复器械，如果直接采用现有技术，势必造成产品成本大幅增加，失去原有的市场定位；同时在实现基本功能的基础，对精度要求不是很严格的前提下，直接使用现有技术是一种技术富余。

本产品采用接触开关结合机构代替现有传感器，实现角度控制，安全力反馈等基本功能，在大幅减低成本的同时，较好的实现所设计功能。

角度控制：结构如下图

（6）角度控制机构

铣削加工弧形幅板，在靠近幅板外侧保留弧形槽，两只接触开关分别于它们的基座相连一同在凹槽滑动，拧紧螺钉则保持接触开关位置固定。往复运动机构在两只接触开关所限定的角度范围之间运动。当往复运动机构运动到一侧接触开关，触动接触开关，产生电信号传输到单片机，单片机根据程序改变直流电机相应转向。

突出优势:相比较光电数码盘检测、电容式传感器方式作用直接，不完全依赖程序和传感器，具有稳定可靠的的特点，在信号处理技术要求难度及执行速度有较大优势；接触开关及其基座本身也是角度安全限制装置，在程序失控状态下，也能起到安全保护作用防止角度过大；使用前护理人员可以根据不同病人直观简单进行预设定角度，直接参照病人可活动角度范围固定接触传感器位置，相比程序控制更直观，操作调节更简单易行。

前臂缓冲机构：结构如下图

（7）前臂缓冲机构

如图所示本装置将与运动的前臂相连，前臂随机构往复运动时，将

带动上下两对弹簧交替压缩，中轴相对钢筒往复运动。此机构能有效缓解吸收在运动过程中机构对前臂的压迫感，明显增加舒适度。也可避免当肌肉出现僵紧状态，机构运行带来的机械损伤。

臂托机构：结构如下图

(8)臂托机构

整个臂托机构安放在静音滑轨之上，原理是分析在手臂随康复器往复运动，由于绑定措施，造成关节部分不能顺利舒张，影响使用，甚至对关节或周围肌肉造成损伤。解决方案可以分为前臂随运动在一定范围内往复调整，或是上臂部分相同运动，本产品采用上臂调整方式，首先由于上臂运动将带动肩关节部分活动，起到更好的运动效果，其次据相关资料显示，上臂受损率远低于前臂，这也是基于安全考虑。

第二.控制检测部分

主要设计思路：通过对动力源（直流电机）控制，配合力和位置传感器，实现对机构进行定时，定速，定量控制。通过一定算法驱动直流电机，带动训练机械臂运动。同时提供温度检测模块、脉搏检测模块，防止运动超量。

设计流程：该部分拟采用TI公司的MSP430系列超低功耗16位单片机、电机驱动电路、液晶显示模块、脉搏检测模块、温度检测模块，主要通过PROTELL 设计电路和实验室制板相结合，进行电路设计和试验验证。最终电路交付相关厂家制作印制电路板。

控制设计示意：控制过程的示意如下图

（9）控制系统完成实物

本控制部分主要由430系列单片机、驱动、检测、输入输出等部分组成，通过单片机系统控制。按键电路作为该控制系统的人机对话接口，负责输入时钟参数，如速度、定时值、最高频率等等。单片机时刻响应按键的请求，并将按键响应的结果以数值的形式存于相应的存储单元，然后通过显示电路显示出来，使用者能够直观控制。单片机系统综合各种参数对直流电机驱动电路实施控制，驱动电机运转。电机带动机械机构工作，角度及安全力反馈装置同时开始工作，把信号及时的传给单片机系统，通过单片机系统及时控制直流电机的速度转向。

显示电路：显示主要采用带中文字库的128X64液晶模块，该模块是一种

具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体

中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.其驱动原理示意图如下：

（10）128X64液晶模块驱动原理示意图

其与430单片机的接线图如下：

（11）128X64液晶模块与430单片机的接线图

按键的设计：按键采用阵列式键盘，通过430单片机的P1口的中断功能和键盘扫描程序时时相应按键功能。阵列式键盘与430单片机的连接图如下：

直流电机驱动电路：直流电机的驱动电路采用H型全桥式电路，采用这种驱动电路可以直接实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。基本原理图下图所示。

（12）直流驱动电路

全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，S1、S2为一组，S3、S4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当S1、S2导通时，S3、S4关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当S3、S4导通时，S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。

直流电机驱动、控制电路：在驱动控制电路中，选用双电源供电。一组5V 给单片机和控制电路供电，另外一组24V给电机供电。在控制部分和电机驱动部分之间用光耦隔开，以免影响控制部分电源的品质，并在达林顿管的基极加三极管驱动，可以给达林顿管提供足够大的基极电流。图2所示为采用TIP142的驱动电机电路，CONTROL口为“0”，PWM口输入PWM波时，电机正转，通过改变PWM的占空比可以调节电机的速度。而当CONTROL口为“1”，PWM 口输入PWM 波时，电机反转，同样通过改变PWM的占空比来调节电机的速

度。在实际使用中，我们可以通过按键时时改变电机的运行速度。

（13）直流电机控制与驱动电路

（14）直流电机控制与驱动电路实物

角度控制电路：角度控制主要是通过P1口的中断功能实现的，当机械机构运动到相应的位置时，P1口就会产生中断，通过程序控制机械机构运动的角度范围。角度控制电路的外部接口为下图的P1.4、P1.5、GND

声音提示电路：为了使用户时刻知道系统运行状态，设计了声音提示如按键声音提示，紧急停止报警，主要由P26控制，电路图如下图。

（15）声音提示电路

温度检测电路：

（16）温度传感器电路

温度传感器的电路图如图所示，电路是由四个CMOS门电路、固定电阻、热敏电阻以及电容构成的多谐振荡器。

脉搏检测：本产品采用高度集成化工艺将力敏元件(PVDF压电膜)、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路电路集成在传感器内。脉搏波动一次输出一正脉冲。实物使用如下：

（17）脉搏检测

根据分级运动康复试验在脑卒中患者康复医疗期间是安全可行的，通过运动前后脉搏检测，可以了解患者的运动能力或运动容量，指导患者在一定范围内活动。除去环境，心理刺激等因素，心率和运动强度之间呈线性关系。计算训练心率常用以下两种方法:

(1)THR=(HRmax-HRrest)(0.6~0.8)+HRrest

(2)THR=(0.6~0.8)HTmax

创新点及推广前景

通过检索现有同类产品专利，以及在成都市医药器材批发市场实地调研，经反复比较，相比较同类产品，本产品具有如下优势：

1.机构设计合理，运动角度和受力控制准确，铰链设计符合人体运动情况，

并且有效减少运动过程机构对关节的额外机械冲击，运动训练方式多

样；

2.通过单片机程序控制，可以使医生一对多进行治疗，治疗过程自动化；

3.设置有运动位置限制，急停装置等一系列安全保护装置；

4.成本控制较好，操控简单，便于携带，适用于广大家庭用户直接使用；

5.具有较大的扩展空间，通过串口连接即可实现接驳internet网络，为

远程医疗打下基础；针对病情迁延较重或有其他慢性疾病的患者提供脉

搏监测预警模块，进一步增强该产品使用的安全性，也方便医生针对不

同病患制订更科学的康复训练计划。

未来基于CPM原理的康复机械势必将越来越多地代替专业医师服务于有需要的患者，而且随着社会主进入老龄化阶段，人民生活生平不断提高，对生活质量，健康保健的关注程度将会大大增加，CPM机作为一种先进，成熟，易用的康复健康产品也将有更广阔的市场空间。

随着进一步设计，针对肩部，胯部以及下肢关节的CPM机，可以在此基础上不断延伸。特别是整套控制系统可以方便的移植到其他CPM机，作为通用模

块。随着医疗网络化，通过接驳internet网络和医生段计算机相连接，病人端计算机和医生端计算机采用客户机/服务器的方式，医生可以远程设置参数控制机械臂的运动模式，病人在家里根据医生的设定自行进行锻炼。

参考文献

[1] 王茂彬.脑卒中的康复医疗.中国科学技术出版社，2006

[2] 李世民，党耕町.临床骨科学[M].天津：天津科学技术出版社，1998,340

[3] 徐军张继荣.实用运动疗法技术手册[M].人民军医出版社，2006：66-71

[4] 卢世璧选译.肘.骨科标准手术技术丛书.辽宁科学技术出版社，2004

[5] 胡大可编著.MSP430系列单片机C语言程序设计开发.北京航空航天大学出版社.2003

[附：装配图；控制程序；PCB布线图]