邹宇
安徽理工大学 236627
摘要 肩关节周围炎，简称为肩周炎，是一种以肩关节疼痛与功能障碍为主要表现的骨科常见疾病[1]。患者在康复治疗过程中，进行肩关节锻炼，可以有效减轻、消除肩关节疼痛，逐步达到痊愈的目的。为了帮助患者在康复治疗中更简便，且更具有效率、规律地进行肩关节锻炼，本设计参考国内外研究成果，设计提出一种肩部康复器械设计方案。本设计以电机作为动力源，主要利用齿轮传动的方式，使机械臂模拟实现上肢展收、抬升摆动及内、外旋三个自由度上的运动，来牵引支承在机械臂上的上肢运动，最后带动肩部关节进行活动，从而更有效地辅助治疗肩周炎等肩部疾病。
关键词：肩周炎；康复治疗；上肢牵引康复器械；
1 引言
1.1研究目的及意义
在肩关节周围炎的康复治疗过程中，患者需要进行漫长周期的肩关节锻炼，因此，由于锻炼时间不足、锻炼方法不正确等原因，许多患者在此期间无法满足康复锻炼要求，导致痊愈时间过长，甚至造成二次损伤，难以痊愈。基于此，为了帮助患者进行肩关节恢复锻炼，需要大量的康复理疗师为患者制定周密的康复训练计划，并持续监督跟进。然而，由于社会的人口老龄化加剧，五十岁及以上人群数量越来越多，又由于五十岁左右年龄段是肩关节周围炎的高发病期，导致肩周炎患者也在不断增多，使得医护人员出现短缺状况。
随着科技的飞速发展，关于医疗器械方面的技术也日渐成熟[2]。为了解决当下患者数量增多、医护人员短缺所带来的患者康复效果下降问题，结合前人在医疗器械方面的研究成果，设计一款肩部康复器械，使之能够结合患者实际情况辅助患者进行高效的肩关节部分康复训练，让患者得到最佳的治疗，是具有具有实际意义且满足社会需求的。
1.2国内外研究状况
1.21国外发展状况
在国外的肩部康复治疗器械研究中，常与上肢康复机器人联系，通过上肢牵引肩部运动，实现康复治疗，且经过多年的研究实践，其技术已十分成熟。
上世纪九十年代初，美国麻省理工学院和spaulding研究小组共同研发出了世界上第一台上肢康复训练器它的机械臂结构是一个五连杆机构，由电机驱动，可让肩部关节和肘部关节在在一个平面内做复合运动，同时，考虑到使用对象是人体上肢，它在结构设计上也具备一定的柔性，可提供防护。
到了九十年代末，由芝加哥大学研究制造的ARM康复机器人面世。它不仅能够实现肩部的康复运动，还能测量使用者的运动情况。但它的模式较为单一，难以实现更复杂的康复训练。
1.22国内发展状况
相对于国外，国内的医疗康复器械研究起步较晚，理论和技术方面也较为落后，尤其在肩部康复机器人领域的建树甚少，相关产品多为肩部震动按摩器，仅能起到缓解疲劳作用[3]。而随着近年来国内研究该方面的科研团队越来越多，相关产品的研发也在逐步增多，其中广州一医疗设备公司所研究制造的A6康复机器人具有一定的代表性，该机器人同样通过上肢牵引肩部运动，可实现6个自由度的控制，帮助使用者进行肩部关节等多关节的康复治疗。
2 方案设计
2.1方案概述
为了在达到辅助肩周炎患者进行肩部关节运动目的的同时，满足机构整体轻便、适合家用等条件，本设计采用模拟人体上肢运动的方式，通过机械托举手臂进行展收、抬升以及内外旋三个自由度的运动，进而牵引带动肩部关节进行活动康复。因此，本设计将在实现机械三个自由度运动上着重进行设计，在保证安全性、实用性的前提下，尽可能地降低生产制造成本，以满足我国绝大部分患者用户的需求。
2.2展收、抬升自由度实现设计思路
本设计中抬升自由度机构的作用为模拟手臂摆动，展收自由度机构的作用为模拟手臂内外展收，通过这两个自由度的活动来带动肩部关节做拉伸运动。
由观察可知，本次设计中，抬升自由度机构的转动幅度需达到0度-150度左右，而展收自由度机构的转动幅度需达到0度-180度左右，二者均条件均需到达才能满足患者在康复过程中肩关节的活动需要。因此设计以一根轴转动，带动一个固定面上的电机运行完成自由度实现。
图 2-1结构草图
该方案主要由电机、齿轮组、连接板组成。其工作原理为，如图2-1，轴O1O2绕z方向转动，以此实现展收自由度的控制；然后齿轮通过外部的齿轮组合电机带动，从而控制杆O3O4的上下摆动，实现手臂抬升自由度的控制。但是，由于此种联动机构会将展收和抬升两个自由度联立在一起，导致机械手能够模拟实现的上肢动作大大减少，因此，对其做出改进，将两个自由度实现机构拆分独立，实现手臂展收自由度上仍使用齿轮传动结构来完成。手臂抬升部分自由度直接使用电机搭配减速器来实现。
2.3内、外旋自由度实现设计思路
本设计中内、外旋自由度的实现机构作用为模拟手臂内、外旋转，以此增加肩关节的活动。该自由度设计方案主要由电机、齿轮、内筒和外筒组成，其主要工作原理为，通过固定在外筒上的电机控制外齿轮的转动，带动内筒转动，进而实现内外旋自由度的控制。
图 2-2 内、外旋自由度实现方案草图
2.4整体机构方案的具体设计
2.41基座的设计
基座由三块定板通过六角铜柱连接固定组成，其中，有一块用于连接机械手的动板在前两块定板之间，使用滑动导轨与中间定板连接。固定基座的方式采用夹紧的方式，用最后两块定板卡在座椅前后两端，经板子下面的胶头螺丝手动将椅背和中间定板固定在一起，从而达到固定整个基座的目的。而最前面的定板的作用为把人体与动板隔开，让人能靠在上面，方便动板将机械手调整至最适位置。2.42 展收自由度结构的设计
该部分使用齿轮传动实现展收自由度，主要结构为，电机由固定座固定在活板上，将主动轮固定在电机轴上。从动轮利用两块角铝与转动基板固定，使用合页将活板与转动基板相连接。以从动轮中心点竖直方向为转动轴，合页转动轴与转动轴重合。通过主动齿轮带动从动齿轮，进而使活板与转动基板产生相对运动，完成展收自由度的实现。
由于齿轮外露，用户易产生误触，并且并无限位保护措施，若运行时控制程序出错，执行机构转动幅度过大，不仅不会辅助患者用户康复，反而会对其肩关节部分造成二次伤害。为应对此情况，在齿轮组内外两侧加装了保护外壳，保护了齿轮、防止误触的基础上，还起到限位的作用，将机构的转动幅度限制在了90度-180度之间，即便在程序出错，机械失控的情况下，也能够在最大程度上地保护用户患者。
2.43抬升自由度结构设计
该部分结构简单，直接使用一个大扭矩的步进电机，配上蜗轮蜗杆减速机，通过法兰盘连接手臂托举结构来实现抬升自由度，达到手臂上下摆动的目的。
2.44内、外旋自由度&手臂托举结构设计
该部分同样使用齿轮传动来实现内、外旋自由度，步进电机通过固定座固定在板子上，板子上固定一个外筒，外筒内放置的内筒由固定在其外壁上的齿轮与固定在电机轴上的齿轮啮合联动，从而实现内筒托举手臂转动。而内外筒结构经由固定在手臂支架上的两条滑动导轨与手臂支架连接，可以使其在纵向移动，调整至使患者用户最适位置。手臂支架与抬升机构的连接端处，增长了骨架的长度，以此作为一个限位装置，将手臂的抬升幅度控制在0度-150度之间，防止因程序出错导致机构抬升幅度过大，对肩关节造成二次伤害。而在手臂内、外转动幅度方面，采取了类似限位块的设计，将转动幅度限定在了一定角度内，防止因转动幅度过大导致内筒脱出，同时保护了手臂。
2.5整体执行过程概述
其主要使用方法及运动过程为：患者用户将肩部康复机械手固定在座椅上端，患者用户坐于座椅上，肩背部轻靠于最前端定板，将大臂与肘关节部分托放在内筒中，打开电路开关，机械手的三个步进电机将在编写好的程序控制下启动，通过三个自由度不同程度的转动幅度，组合带动手臂做出一系列动作，进而使肩关节得到运动锻炼，进行康复治疗。
参考文献
[1]蓝守福,彭云龙,宋孝言.肩周炎的康复指导和临床效果[J].菏泽医学专科学校学报,2008(02):36-38.
[2]蔡国庆. 上肢康复机器人结构设计及控制系统研究[D].华北理工大学,2017.
[3]姬翔. 面向肩关节康复的外骨骼机器人机构设计与研究[D].南京邮电大学,2018.