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摘 要
腦性癱瘓（簡稱腦癱），是小兒時期常見的中樞神經(jīng)障礙綜合癥，病變部位在腦、肋及四肢， 主要表現(xiàn)為運動障礙和姿勢異常 ，且常伴有智力缺陷、癲癇、行為異常、精神障礙及視覺、聽覺、語言障礙等癥狀。據(jù)世界衛(wèi)生組織權威機構統(tǒng)計分析：全球腦癱患兒超過1000萬，兒童腦癱發(fā)病率達2.7‰，而四肢畸形、癱瘓、痙攣是其主要癥狀。
我國現(xiàn)有腦癱患兒500多萬，發(fā)病率為1.2‰～2.7‰，每年新增腦癱患兒3-5萬，位居世界前列。目前我國市場上主要的四肢康復儀器存在的問題有運動功能少、人工輔助成分大、且價格昂貴。本文通過對腦癱患病機理、腦癱病情、現(xiàn)有治療手段和影響康復因素等的調查研究，提出了一套融合多種康復鍛煉于一體的設備的設計方案，并對其進行了理論分析和詳細的結構設計。同時運用Solidworks等軟件繪制了實體，并繪制了相應工程圖。通過理論計算，為生產(chǎn)該設備提供了較為完整的資料。通過對各重要零部件的強度和剛度進行校核，各重要零部件皆能夠滿足工作要求。經(jīng)過試驗、調試，此設備達到了設計要求，完全能夠實現(xiàn)輔助站立訓練、輔助行走訓練和模擬進食訓練。
本文方案運用氣動系統(tǒng)作為動力源，采用模塊化設計，模擬人的各種動作，達到了康復鍛煉的目的。它是集多種功能于一體，拆卸運輸方便，可滿足不同的患者各患病部位使用需求的一款新型醫(yī)療器械，填補了我國在腦癱運動康復醫(yī)療器械上的空白，在醫(yī)療領域有著廣闊的應用前景。
關鍵詞：腦癱 ；康復治療椅 ；模塊化設計 ；站立 ；行走 ；進食
Abstracts
Cerebral palsy (CP) is a common central nervous system disorder syndrome during childhood, which is caused by damage to the motor control centers of the developing brain and can result in activity limitation of the four limbs. The main symptoms include seizures, epilepsy, apraxia, dysarthria or other communication disorders, sensory impairments, mental retardation, and behavioral disorders. According to the analysis of the World Health Organization, the number of the children with CP is over 10 million, and the incident rate is as high as 2.7%.
There are more than 5 million children with CP in China ranked in the first place, and each year the number increases by 30,000 to 40,000. Nowadays the main problem of the four limps rehabilitation equipment in domestic market includes little motor function, much mechanical assistance, and the high price. After the investigation on pathogenesis of CP, patients' condition, treatment and factors affecting the therapy, we propose a designing program which combines all the exercise for rehabilitation. Meanwhile we use Solidworks to draw the three-dimensional solid modeling of renderings and the related engineering drawings, and we also do the theoretical calculations and analyze data with CAE, all of which can provide complete data for the produce of the equipment. Furthermore all the intensity and stiffness of central parts of the equipment are check carefully and they work well. Through trail and error, this equipment meet the designing requirement and totally can assist patients standing, working, and eating.
It was first put forward to use cylinder as the force and modular design and to imitate all kinds of movement of human to achieve the goal of exercise. Combined with many functions this equipment can apply for any kind of patients and is easy to disassemble, so it has a broad prospects in medical field.
Key words:cerebral palsy ；CP rehabilitation chair；modular design；assist standing； walking；eating
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目 錄
第一章緒論 1
1.1項目背景 1
1.2發(fā)病原因 1
1.3臨床表現(xiàn) 2
1.4國內外治療方法現(xiàn)狀 2
1.4.1 物理療法 2
1.4.2 心理療法 4
1.4.3 康復訓練 5
1.5國內外儀器的現(xiàn)狀及展望 5
第二章腦癱兒醫(yī)療康復椅的設計方案 8
2.1設計構想 8
2.2設計依據(jù)與指標 8
2.2.1設計依據(jù) 8
2.2.2總體設計指標 8
2.3基本結構功能組成 9
2.4康復椅方案設計 9
2.4.1站立單元方案設計 10
2.4.2輔助行走方案設計 11
2.4.3進食訓練單元方案設計 12
2.4.4桌面單元方案設計 12
第三章康復椅的結構設計 13
3.1輔助站立單元機構的設計 13
3.2輔助行走單元機構的設計 14
3.3輔助進食單元機構的設計 14
3.4危險零部件的強度校核 16
3.4.1旋轉氣馬達短軸 16
3.4.2銷釘?shù)男：?17
3.4.3氣缸1固定腳鏈螺栓的校核 18
3.4.4底座旋轉桿螺栓組的校核 21
第四章氣壓缸的設計 23
4.1 動力源確定 23
4.2 氣壓系統(tǒng)圖 23
4.3 氣壓系統(tǒng)參數(shù) 24
4.4氣壓系統(tǒng)主要結構計算 24
4.4.1氣壓缸的主要結構尺寸 24
4.4.2活塞缸的直徑 24
4.4.3氣壓缸活塞寬度B 24
4.4.4導向套長度C 25
4.4.5氣壓缸缸筒壁厚 25
4.4.6活塞行程 25
第五章康復椅的結論和創(chuàng)新點 26
5.1結論 26
5.2創(chuàng)新點 27
致謝 28
參考文獻 29
第一章緒論
1.1項目背景
腦性癱瘓( cerebral palsy，CP) 簡稱腦癱，是指自受孕開始至嬰兒期非進行性腦損傷和發(fā)育缺陷所導致的綜合癥，主要表現(xiàn)為運動障礙及姿勢異常，是以運動功能障礙為主的致殘性疾病。由于新生兒急救醫(yī)學的發(fā)展，早產(chǎn)兒、低出生體質量兒成活率的提高，社會、環(huán)境等因素，多年來世界范圍內腦癱發(fā)病率和患病率沒有明顯的下降趨勢。由于病因復雜、發(fā)病機制復雜、臨床表現(xiàn)多樣、可能伴有多種并發(fā)癥等，使腦癱的預防與康復治療成為世界性難題。
圖1-1小兒腦癱癥狀
國際衛(wèi)生組織報道世界范圍內腦癱的發(fā)病率為1.2‰-2.7‰，而我國發(fā)病率為1.8‰～4.0‰，我國現(xiàn)有腦癱患兒500-600萬，且發(fā)病率呈上升趨勢。據(jù)調查顯示：一般6歲之前腦癱兒的治療需要大量費用（每年費用為10余萬元）；在6歲之后的康復費用、藥物支撐會相對少一些，但仍需要大量資金，腦癱不但給患兒家庭帶來沉重的生活負擔，也給社會造成了極大的壓力。該病的防治、康復不但涉及患兒生活質量、家庭幸福還關系到民族素質及社會和諧發(fā)展。為此，腦癱已引起多學科的高度關注。
1.2發(fā)病原因
引起腦癱的原因很多，但找不到原因者可能達1/3以上。有時一些病例也可能存在多種因素。
產(chǎn)前因素最常見，包括遺傳和染色體疾病、先天性感染、腦發(fā)育畸形或發(fā)育不良、胎兒腦缺血缺氧致腦室周圍白質軟化或基底節(jié)受損等。圍產(chǎn)因素指發(fā)生在分娩開始到生后一周內的腦損傷，包括腦水腫、新生兒休克、腦內出血、敗血癥或中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染、缺血缺氧性腦病等。圍產(chǎn)因素可能是引起早產(chǎn)兒腦癱的重要原因。晚期新生兒以后的因素包括從1周至3或4歲間發(fā)生的中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染、腦血管病、頭顱外傷、中毒等各種引起的非進行性腦損傷的病因。
早產(chǎn)和宮內發(fā)育遲緩雖然不是腦癱的直接原因，但它們是腦癱的重要的高危因素。母親宮內炎癥或絨毛膜羊膜炎，作為一項潛在的危險因素已經(jīng)越來越被引起重視。
1.3臨床表現(xiàn)
腦癱的癥狀在嬰兒期表現(xiàn)，常以異常姿勢和運動發(fā)育落后為主訴。雖然患兒的腦損害或者腦發(fā)育異常是非進展性的，隨著腦損傷的修復和發(fā)育過程，其臨床表現(xiàn)常有改變。如嚴重新生兒缺血缺氧性腦病，在嬰兒早期常表現(xiàn)為肌張力低下，以后逐漸轉變?yōu)榧埩υ龈?。平衡功能障礙需嬰兒發(fā)育到坐甚至站立時才能表現(xiàn)出來。關節(jié)攣縮和脊柱畸形等繼發(fā)改變也是逐漸發(fā)展出來的?？梢园橛邪d癇、智力低下、感覺障礙、行為障礙等。這些伴隨疾病有時也可能成為腦癱兒童的主要殘疾。
臨床上根據(jù)運動障礙的性質可分為痙攣型、不隨意運動型、共濟失調型、肌張力低下型和混合型等，并根據(jù)受累的肢體分布，分為單癱、偏癱、雙癱、三肢癱和四肢癱等類型。以下介紹常見的幾種特殊的臨床綜合征。
1.4國內外治療方法現(xiàn)狀
腦癱康復治療并不能達到治愈及完全正?；哪繕耍梢酝ㄟ^醫(yī)療、教育、職業(yè)、社會等康復手段，使腦癱患兒在身體、心理、職業(yè)、社會等方面達到最大程度的趨于正常化。力求實現(xiàn)最佳功能和獨立性，提高其生活質量，同其他公民一樣，享有平等的權力，參與分享社會和經(jīng)濟發(fā)展成果。
小兒腦癱康復治療屬于康復醫(yī)學范疇，因此要遵循康復醫(yī)學的規(guī)律并符合兒童生長發(fā)育特點和需求，采取綜合康復治療的方法，根據(jù)每個患兒的情況而選擇和制訂康復治療方案。目前國內外常用的小兒腦癱康復治療方法主要有以下幾種:
1.4.1 物理療法
物理療法( physical therapy，PT)簡稱為理療，是利用人工或自然界物理因素作用于人體，使之產(chǎn)生有利的反應，達到預防和治療疾病目的的方法，是康復治療的重要內容。
1)物理因子療法是指利用手法、光、電、聲、磁等物理因子作用于人體治療疾病的一種方法。
圖1-2針灸及物理因子治療
2)運動療法是通過運動來實施的一種療法，目的在于改善殘存的運動功能，抑制不正常的姿勢反射，誘導正常的運動發(fā)育，以提高患兒的日常生活能力，它們涉及整個肌肉單元。在眾多運動療法中，具體的訓練內容主要有: 姿勢矯正訓練、肢體和軀干促通訓練、基本移動動作訓練、平衡及步行訓練、上下樓梯訓練和過障礙訓練、跑步訓練等。
圖1-3 運動治療
3) 作業(yè)療法是應用有目的的、經(jīng)過選擇的作業(yè)活動，對身體、精神、發(fā)育有功能障礙或殘疾以致不同程度喪失生活自理能力和職業(yè)勞動能力的患者進行訓練，使其生活、學習、勞動能力得以恢復，幫助其重返社會的一種治療方法。其包括姿勢控制的發(fā)育、手功能的發(fā)育、移動、心理和情感、進食和口運動功能、自理和獨立性、游戲、書寫技巧、家長指導等方面。
圖1-4醫(yī)師輔助矯正治療
1.4.2 心理療法
1) 心理治療是指通過師生日常的接觸及各種教育訓練活動，減少或消除腦癱兒童的心理障礙，調整與人的關系，恢復和形成學前腦癱兒童正常的心態(tài)和人格。所以，在康復訓練中盡可能多地提供成功的體驗，及時給予表揚和鼓勵，用成功的體驗來幫助他們樹立自信，對他們因能力而造成的失誤從不批評，對他們遇到的任何困難都給予極大的關懷和幫助，教師用比父母更多的愛逐漸打開他們封閉的心靈，使他們能接納他人，愿意與他人交往和游戲，也愿意接受教師施予的康復訓練措施，也為他們融入社會群體打下了基礎。
圖1-5 心理治理
2) 引導式教育療法引導式教育療法( con＆lctive education，CE)又稱Peto法，是國際公認的治療小兒腦癱最有效的方法之一，其顯著特點是最大限度地引導調動患兒自主運動的潛力，以娛樂性和節(jié)律性意向激發(fā)患兒的興趣及參與意識。通過引導員不斷地給予科學的誘導技巧、意識供給或口令，讓患兒主動地進行訓練，與科學的被動訓練相結合，可大大地提高康復效果；同時將運動、語言、理解、智力開發(fā)、社會交往和行為矯正等有機地結合在一起，進行全面的康復訓練，使患兒在德、智、體、個性氣質培養(yǎng)和行為塑造等方面得到全面的康復和發(fā)展。
圖1-6治療師對患者輔助引導治療
1.4.3康復訓練
輔助器具及矯形器的應用，腦癱兒童適時借助輔助器具和矯形器，以輔助、補救、減輕患兒的功能障礙。矯形器和各種輔助器材可以一種最小的輔助方式發(fā)揮出患兒最理想的功能潛力，包括運動功能( 坐、站、步行、上下臺階等) 和生活自理能力，也包括同樣接受教育、追求合適的職業(yè)和生活自立等。輔助器具有前/后助行器、輪椅、站立架、防灑碗、可調夾持柄餐具、常用的矯形器有足托( 踝足矯形器－ AFO) 等。
綜上所述，腦癱是小兒神經(jīng)系統(tǒng)的常見病之一，也是兒童肢體致殘的最主要疾病之一。目前為止，國內外尚無一種治愈腦癱的特效藥，采用綜合康復治療方法是治療腦癱的較好方法，對于減輕腦癱兒童運動功能障礙、縮短療程、減輕社會和家庭負擔也有著積極意義。在具體的治療方法上，應因人、因病而異，制訂出個性化的治療方法。
從先天來看，目前的醫(yī)學水平避免不了腦癱兒的出生，但是，在后天上，通過康復訓練讓腦癱兒及其家庭不陷入充滿無力感的絕境中卻是切切實實可以做到的。
目前醫(yī)學界通常以手術和康復訓練兩種方法治療腦癱，但手術治療成本高、創(chuàng)傷大、并發(fā)癥多，存在較大風險。相比而言康復訓練較為保守可靠，故而康復訓練成為腦癱兒康復治療的最主要的手段之一。
1.5國內外儀器的現(xiàn)狀及展望
自19世紀40年代，英國矯形外科學專家John Little首先研究CP，至今百余年來已經(jīng)形成和發(fā)展了許多治療體系，但臨床實踐證明尚無一種十分完善的體系;在國內對于小兒腦癱主要是早發(fā)現(xiàn)早治療，充分發(fā)揮祖國醫(yī)學低成本高效率的優(yōu)勢。并且現(xiàn)在大多兒童福利機構已建立了一套以優(yōu)化后的中醫(yī)中藥針灸治療為基礎綜合性腦癱治療模式，而康復器械的發(fā)展卻有些緩慢，因而設計一套多功能，全方位的腦癱患兒康復器械顯得尤為重要。
目前，為有效的促進腦癱兒的康復，國內外專家都積極的研究針對其治療的康復訓練儀器，但現(xiàn)今市場上現(xiàn)在有的康復器械運動效果較為單一且體積龐大，價格昂貴。很多康復器械設計的運動軌跡不符合人們運動時關節(jié)肢體運動的軌跡，動作過于生硬。使在康復訓練過程中患兒因很難較好地適應設備，而產(chǎn)生較大的抵觸心里，不能積極配合治療。而且現(xiàn)有器械大部分自動化程度不高，人工輔助成分大，很多時候需要一個醫(yī)護人員在旁邊進行一對一的陪護治療，這樣極大的增加了康復治療的成本。因此我團隊針對以上問題，旨在設計一款康復醫(yī)療器械用于腦癱患兒的康復訓練，緩解家庭的壓力。
圖1-7 國內外主要產(chǎn)品
圖1-7為國內外市場上的主要康復器材，共同的優(yōu)點都是可以方便患者的日?；顒樱旱即嬖谥旅娜秉c，你能幫助患者進行康復型訓練；而且它們大多價格昂貴，操作復雜，不適合腦癱患者在最佳康復階段（4—12歲）進行自主操作。
第二章腦癱兒醫(yī)療康復椅的設計方案
2.1設計構想
本方案的主要設計研究的內容是研發(fā)一種能夠幫助腦癱、偏癱患兒進行身體四肢機能康復醫(yī)療運動的器械，由于病人身體神經(jīng)系統(tǒng)全部或部分癱瘓，身體長期不能活動而導致身體肌肉發(fā)生萎縮，其進一步惡化會使病人永久性的喪失運動能力，所以需要在其失去活動能力之前，通過醫(yī)療器械對患者身體其各需要部位進行運動訓練，從而緩解患者肌肉萎縮，在一定程度上達到的康復效果；當病人身體能夠輕微自理時，可以將儀器轉化為病人加強康復鍛煉的工具從而進行進一步的康復訓練。器械采用模塊化設計，能在較大程度上實現(xiàn)一機多用，從而降低成本，減輕腦癱患兒家庭的生活壓力。
通過對吉林市各大醫(yī)院、腦癱康復醫(yī)療機構及腦癱患兒家庭走訪，相關醫(yī)學資料的查閱，及對現(xiàn)有的各種醫(yī)療產(chǎn)品的調研分析，我組對各類患兒數(shù)據(jù)進行細致分析，歸類整合。在結合患兒的實際需要，了解了不同患兒的基本特征和各項參數(shù)后最終我們確定了包含輔助站立，輔助行走，以及進食訓練等基本康復訓練運動的康復治療器械。
2.2設計依據(jù)與指標
2.2.1設計依據(jù)
腦癱患兒作為特殊人群，其本身就是病痛的受害者，在遭受病痛折磨的同時，給家庭和社會都帶來沉重的負擔。依據(jù)現(xiàn)代循證醫(yī)學(Evidence Based Medicine，簡稱 EBM)和連續(xù)被動理論(Contin-uousPassive Motion，簡稱 CPM)，對患者進行連續(xù)被動運動訓練，有利于患兒基本運動功能的康復。設計一款能夠模擬正常人運動且功能齊全具的四肢康復醫(yī)療器械，帶動患兒進行四肢康復運動。這恰好符合連續(xù)被動理論康復機理。
2.2.2總體設計指標
面對日益增長的腦癱患兒以及患兒所帶來的日益沉重的家庭和社會壓力，腦癱患兒遭受的巨大痛苦，充分考慮患兒實際康復訓練需求，結合現(xiàn)有產(chǎn)品的特點，設計的康復椅應滿足以下設計指標：
1) 整體尺寸適中，結構緊湊，便于移動，適合家庭使用；
2) 功能齊全，模塊化設計，可以根據(jù)的患兒的不同需求選擇不同的模塊進
行組裝；
3) 操作簡單，易于控制，具有自動化功能；
4)工作穩(wěn)定，傳動平穩(wěn)、安全可靠。
2.3基本結構功能組成
我們研制的腦癱兒康復椅整體結構按照功能進行分解，由以下幾個部分組成：
1) 腦癱兒康復椅框架
本方案設計的整體框架為一矩形底盤和座椅組成，矩形底盤設計降低了康復椅的重心，矩形地盤設計的面積略大，以保證各個單元進行訓練時腦癱兒以及康復椅的重心始終落在底盤區(qū)域內，防止發(fā)生側翻。座椅要為其他單元的動作實現(xiàn)的依托，也是站立單元過的重要組成部分。
2) 輔助站立單元
輔助站立單元采用氣缸提供動力，通過氣缸推動座椅實現(xiàn)站立，整個過程充分模仿人站立的過程。在此過程使患兒隨著康復椅運動，對腿和腰部肌肉及膝關節(jié)，進行康復訓練。
3) 輔助行走單元
輔助行走單元采用氣馬達提供動力，通過氣馬達帶動曲柄搖桿機構模擬人行進過程，踏板部位依照患兒的個體特點可進行適當調節(jié)，在此訓練過程中，患兒的腿部肌肉及髖關節(jié)得到進一步鍛煉，同時腳部肌肉及踝關節(jié)也能得到康復訓練。
4) 輔助進食單元
輔助進食單元，由兩個氣缸順序運動。把正常人進食的動作進行分解，通過氣缸伸縮模擬正常人吃飯時的動作，在此過程中患兒的手臂肌肉及肘關節(jié)、肩關節(jié)等部位得到鍛煉。
5) 桌面單元
桌面單元是控制單元，也是其他單元運動的輔助部分，在坐時桌面可以向身體一側拉伸，在站立后桌面還能臺高，用于放置手臂；上面桌面設有游戲模塊，同時也可擺放一些康復玩具和學習工具，增加趣味性和實用性，患兒能更加積極的配合治療。
2.4康復椅方案設計
我們提出的康復椅總體設計方案如圖2-2所示。它主要由輔助站立、輔助行走以及進食訓練三大部分組成。
由于腦癱患兒長期無法得到鍛煉，身體各部分肌肉會有不同程度的萎縮，如果強行受力會對患兒造成極大的大傷害。因此患兒的支撐受力是用柔性帶把患兒胸部柔性地固定在靠背上，這種設計不僅減輕了患兒下肢的受力，而且在固定上肢的同時對上肢軀干起到矯姿塑形的作用。
椅子座板用雙搖桿機構實現(xiàn)翻折伸起，通過氣缸推動搖桿，帶動座椅運動，模仿人由坐到站的過程，患兒進行連續(xù)被動運動訓練，從而實現(xiàn)對髖關節(jié)、膝關節(jié)的鍛煉，在鍛煉的過程中對下肢肌肉起到一定的拉伸作用。通過往復訓練，實現(xiàn)肌肉的伸縮，喚醒肌肉的活性。在站起之后，推動站立氣缸鎖死，可由患兒自主地進行運動控制（腦癱患兒手指可以自主做簡單動作），行走單元進行行走康復訓練。行走單元采用氣馬
圖2-2 腦癱兒四肢康復醫(yī)療椅方案示意圖
達帶動，可保證傳動平穩(wěn)性，以及特殊情況下緊急制動,氣馬達可以無級調速，控制壓縮空氣的流量，就能調節(jié)馬達的輸出功率和轉速，從而根據(jù)患兒的需要進行速度調節(jié)。氣動馬達有很好的過載保護作用，不會因過載強制運動而發(fā)生故障。行走單元為曲柄搖桿機構，該機構能極大程度地模仿人的行走過程，實現(xiàn)對膝關節(jié)、踝關節(jié)、髖關節(jié)的康復訓練。
當行走完成后，控制站立單元汽缸緩慢收縮坐下。坐下后，控制進食訓練單元，進食單元開啟，通過兩個簡單連續(xù)運動來模擬人進食動作。把動作分解是考慮到患兒初期康復身體肌肉不能直接硬性進行大幅度的拉伸，難以適應復雜的訓練動作，打擊患兒的康復信心，該機構能夠實現(xiàn)對肘關節(jié)、肩關節(jié)以及手臂各部分肌肉的康復訓練。通過本儀器可對四肢大部分關節(jié)、肌肉進行康復訓，從而改善患兒肌體，緩解痙攣，通過連續(xù)被動訓練達到康復訓練的目的。
2.4.1站立單元方案設計
站立單元采用氣缸提供動力，傳動平穩(wěn)可靠，在靠背處設計軟帶和護肩固定在胸部、肩部。由坐到站的訓練過程中提供一定的拉力，減小腿部受力，防止站立時扭傷造成傷害。利用上半身產(chǎn)生牽引力，以及座板對大腿部提供前上方向的力。整個過程充分模仿人站立的過程。由上下身的協(xié)作，增強患兒的協(xié)調性，為患兒康復后能夠獨立行走做準備,座椅靠背上的支撐護肩可調節(jié)其距離大小，坐時夾持患兒身體，與柔性帶結合，起矯姿塑形的作用，在站立時支撐護肩可以起到支撐保護的作用，支撐護肩在反轉時可做椅子把手，用于推動椅子前行；護肩還可上下調節(jié)，以適應不同年齡和身材的患兒。具體結構可參照圖2-3。
圖2-3 輔助站立單元結構示意圖
2.4.2輔助行走方案設計
輔助行走單元，運用曲柄搖桿機構模擬人行走過程，（具體結構可參照圖2-4）以氣動馬達為動力源，其傳動平穩(wěn)可靠，行走單元采用無線遙控，可根據(jù)患兒的康復情況進行步速調節(jié)，腳的踏板部位可沿搖桿前后移動，依照患兒的個體特點可進行適當調節(jié)，以便康復訓練時給患兒更加舒適體驗。
由于患兒長期不能站立行走，腳部常常出現(xiàn)輕微的畸形，在站立時不能全腳掌著地，初期康復訓練時如果強行固定，會對患兒造成一定的傷害，更甚者會使患兒扭傷。因此我們對踏板進行了特殊設計。踏板采用四個彈簧和一個球幅組成的自平衡機構和一個小腿護具組成。在進行行走訓練時自平衡機構能夠自主進行位置矯正，小腿護具能對患兒行走的姿態(tài)進行矯正。康復訓練與姿態(tài)矯正同步協(xié)作，達到更好的康復效果。
圖2-4 輔助行走單元結構示意圖 圖2-5可調節(jié)踏板結構示意圖
2.4.3進食訓練單元方案設計
圖2-6 輔助進食單元結構圖
患兒身體長期處于半癱瘓狀態(tài)，患兒的肌體功能減退，生活很難自理，因此上肢的恢復訓練尤為重要。本方案設計的進食訓練單元可輔助患兒上肢運動，模擬正常人吃飯時的動作把正常人進食的動作進行分解，先有氣缸伸縮實現(xiàn)小臂的水平運動，然后護具尾端向下運動使小臂前端向上升起（結構如圖2-7所示）。
將動作分解進行訓練不僅簡化了機構，另一方面能夠對更好的鍛煉各部分關節(jié)。首先小手臂護具帶動手臂平動，很好地活動了肘關節(jié)。由于患兒胸部固定，在平動過程中，肩膀會隨著小臂的帶動而小幅度的扭轉，上臂也伴隨著運動，因此上臂的肌肉也能得到康復訓練。在小臂抬升的過程中，小臂隨著護具運動，肘部向下運動帶動上臂、肩部。實現(xiàn)對上臂的康復訓練。腕部被抬起，肘關節(jié)以及上臂肌肉進行二次康復訓練。
2.4.4桌面單元方案設計
桌面單元為可上下前后移動設計，這種設計能很好的滿足患兒在坐或站時對桌面的需求，桌面上外加控制面板，由患兒遙控實現(xiàn)可對整個器械進行控制，并將相應數(shù)據(jù)顯示在面板上。如控制站立、坐下、行走時的步速等。同時還設有游戲模塊，患兒可進行簡單的益智游戲，增加了趣味性。患兒也能夠更加積極的配合治療。在患兒進食時可以當作桌子使用?；純嚎梢灾苯釉诳祻鸵紊线M食。減少了患兒的固定次數(shù)。避免因固定次數(shù)過多引起患兒的抵觸情緒。
第三章康復椅的結構設計
3.1輔助站立單元機構的設計
本方案的輔助站立單元的設計充分考慮到腦癱兒四肢變形、不隨意動的特點，給靠背加上護肩和護帶，在站立過程中起到提升和固定的作用，使得站立運動更加平穩(wěn)，安全可靠。
圖3-1 輔助站立結構原理圖
輔助站立機構采用平行四桿機構的設計，通過平行四邊形桿機構來完成坐椅的翻轉和患兒的直立動作。(具體軌跡請參考圖3-1)我們利用平行四邊形機構兩對邊平行的原理將一邊進行豎直固定，通過氣缸的推動，帶動座椅的翻轉，將靠背進行豎直提升，在靠背上升的過程中通過護肩和護帶對患兒進行豎直提升，進而達到對患兒進行輔助站立的目的，其結構原理圖如圖所示。
在坐立時，氣缸起到支撐椅子的作用，我們氣缸選用的行程為200mm，最大提夠推力為1000N，而3~7歲的小孩體重大概在10~25Kg左右所以由受力分析可知氣缸強度可靠。護肩起到支撐患者身體的作用，最大可承受60kg的重量，本單元通過護肩支撐患者身體，來減少臀部和腰部受力，防止患者因長時間坐立受壓而引起的胯部、脊椎的變形。
在站立過程中，通過兩個氣缸推動雙四桿機構到達極限外置時，坐墊和靠背的夾角是15度，能夠滿足站立患者進行站立。在站立過程中，氣缸推動的速度是1.5cm/s,坐墊中心旋轉角速度大小為0.08rad/s，求得護肩以最大為1.1cm/s的上升速度帶動人體站立。
在站立時，患兒主要受到護肩、護帶的支撐力和拉力作用。這樣既可減輕腿部受壓，還可以利用重力對脊椎有一定的拉伸，起到恢復治療效果。
3.2輔助行走單元機構的設計
本方案的輔助行走單元主要是通過不斷模仿人的行走過程，訓練患兒的腿部肌肉，以減輕其痙攣癥狀，并且通過控制氣馬達轉速與啟閉，使患兒適應踏步訓練，最后達到患兒自主行走的目的。
他的主要設計機構為曲柄搖桿機構，我們通過設計該機構各桿的尺寸來最大程度上模擬人行走的過程。(具體結構圖請參考圖3-2)其中AB桿長130mm,BC桿長640mm，CD桿長300mm。我們通過氣馬達帶動曲柄AB進而模擬人行進，、連桿上踏板的軌跡如圖中P點的軌跡所示，由圖像我們可以看出其運動軌跡與正常人的步行軌跡基本相似，輔助行走單元的原理圖如圖3-2所示。
圖3-2 輔助行走單元原理圖
本機構的踏板部位（圖示P點）可通過調節(jié)開關在連桿上前后移動來適應不同體形的患兒，并且可通過調節(jié)球副和調節(jié)彈簧組成的自平衡機構來幫助患兒更好的適應行走鍛煉，避免強行固定所帶來的傷害。
設計的基本參數(shù)：
1) 每步的行程：160mm
2) 每步的高度差：30~40mm
3) 每分鐘行走步數(shù)：30-50步/分
3.3輔助進食單元機構的設計
練習進食單元是通過兩個氣缸的運動，進而實現(xiàn)手部搖擺及彎曲功能的運動單
元。這個動作是模仿吃飯的過程，簡單的說是實現(xiàn)空間內兩點之間的移動過程，通過模擬人的吃飯過程，進而達到手部移動訓練的目的。通過進行有針對性的動作訓練，增加康復效率，避免患者對無目的性訓練的厭惡與麻木，增強患者的自我康復意識，從而達到更佳的康復效果。
圖3-3 輔助進食單元結構原理圖
練習進食單元的原理圖如圖所示，通過一個在XOY平面內運動的氣缸帶動與之相連的桿機構，實現(xiàn)手的搖擺過程。擺臂氣缸伸縮，帶動桿AC繞A點轉動，通過桿AC限制桿CE在X方向和Y方向上的自由度，從而實現(xiàn)點E與點C之間的同步運動。通過一個在Z軸方向上伸縮的氣缸牽動X點繞F點轉動，實現(xiàn)手的彎曲過程。在實現(xiàn)彎曲的這個過程中，CE之間的距離會增加，F(xiàn)N之間也會變長，因此在這兩個地方需要一定的補償功能。我們通過在桿CE上設置一個在Z軸方向上的局部自由度，運用大管與小管之間的嵌套，使CE在保持始終垂直于平面XOY的前提下，能在機構所需范圍內在Z軸上下伸縮，進而實現(xiàn)補償。在FN之間的補償上，我們將桿3與桿4之間的距離盡量靠近，從而確保FN有一個盡量小的變化量，再通過桿3上面的空間轉動副實現(xiàn)小幅度的轉動，進一步補償FN之間的伸縮量，對于之前兩步?jīng)]法補償?shù)挠嗔?，我們通過加大N點上滑道的寬度，確保在機構運動范圍內不發(fā)生干涉，從而實現(xiàn)整個彎曲過程。
練習進食單元是一個較為復雜的運動單元，它涉及到比較復雜的傳動系統(tǒng)，而且有兩個與患兒緊靠著的動力原件，因此在它的安全上，設計過程中我們給予了著重的考慮。首先在過載保護上，該部分采用氣壓安全閥進行保護。除氣壓保護之外該部分還加有機械鎖死機構作為備用保護裝置，操作部位設在腦袋后面，當緊急情況下，腦袋稍敲擊靠背，即可直接鎖死主氣源的管道口，進而切斷動力供應。整個運動部分全用軟袋包裹，避免患兒誤操作造成的人體損傷。
手的運動部位能較客觀地體現(xiàn)器械人性化考慮程度，我們在設計該部分時充分考慮兒童的心理，將護腕做得盡量使患兒搞到舒適，避開普通醫(yī)療器械直接將患兒手部固定的嬌姿方式的生硬死板，讓患兒手部自然放置在底部較為寬大的放手部位，然后在上面用軟帶封口，而無需將其直接作用于患兒手臂，從而給人一種安全自然的感覺。
3.4危險零部件的強度校核
在康復椅的正常工作中，連接頭、連桿、銷釘?shù)仍趧恿鲃又衅饦O為重要的作用。如果設計不當，零件因載荷過大，可能產(chǎn)生零件變形，甚至斷裂，影響設備的正常運轉。因此對這些零件的剛度和強度有一定的要求。設計后，需要對其進行校核。
3.4.1旋轉氣馬達短軸
1) 剪切強度校核：
剪切應力：
圖3.4.1-1 旋轉氣馬達短軸受力分析
剪切面積： （3.1）
軸的工作應力： （3.2）
45號鋼的剪切極限強度，安全系數(shù)選用,則許用應力，符合強度條件，所以銷軸的剪切強度是足夠的。
2) 擠壓強度校核：
擠壓應力：F=900N
擠壓面的面積： （3.3）
工作擠壓應力： （3.4）
由塑性材料許用剪切應力，許用擠壓應力與許用拉應力之間的關系
； （3.5）
得出所以也滿足擠壓強度條件，
所以銷軸滿足連接的剪切強度與擠壓強度。
3.4.2銷釘?shù)男：?
1）助立單元氣缸鉸支座連接大銷釘?shù)男：?
輔助站立過程中氣缸是繞著與之連接的銷釘做旋轉運動的，此處銷釘承受了極大的力，當受力過大時，可將銷釘剪斷，因此此處應進行剪切強度的校核。銷釘?shù)牟牧线x用45#調質，其受力情況如圖3.4.3-1。
圖3.4.2-1 大銷釘?shù)氖芰D
由機械結構知銷在座椅由水平站起時的受力最大，并且知此時氣缸推力方向與水平夾角為，由此知銷此時受力大小為
。 （3.6）
1) 剪切強度校核
受力分析如圖所示
由研究對象的受力平衡知，大銷釘剪切面的剪力為
（3.7）
剪切面面積為 （3.8）
大銷釘?shù)墓ぷ髑袘? （3.9）
45號鋼的剪切極限強度，安全系數(shù)選用,則許用應力，符合強度條件，所以大銷釘?shù)募羟袕姸仁亲銐虻摹?
2) 擠壓強度校核
大銷釘?shù)臄D壓面是圓柱面，用通過圓柱直徑的平面面積作為擠壓面的計算面積。
擠壓面的擠壓力為
擠壓面的面積為 （3.10）
擠壓應力為 （3.11）
由塑性材料許用剪切應力，許用擠壓應力與許用拉應力之間的關系；。得出所以也滿足擠壓強度條件，所以大銷釘滿足連接的剪切強度與擠壓強度。
3）輔助進食單元氣缸鉸支座連接小銷釘?shù)男：?
圖3.4.2-2 小銷釘受力圖
由于銷釘受力較大，且截面積很小，容易被剪斷，因此材料的強度要求較高，通過查閱資料選用40Cr調質。銷釘受力情況如圖3.4.3-2 所示，銷釘受到大小相等方向相反的分布力作用。由于液壓缸的最大推力為0.1kN,所以有：
（3.12）
因此剪切強度符合。
3.4.3氣缸1固定腳鏈螺栓的校核
圖3.4.3-1腳鏈受力圖
1）.螺栓組結構設計
螺栓組連接結構如圖所示，螺栓數(shù)Z=4，對稱布置；
2）螺栓受力分析
（1）螺栓組受力如圖3.4.3-1所示，在總載荷F的作用下，螺栓組連接承受一下各力和傾覆力矩的作用：
軸向力（F的水平分力，作用于螺栓組中心，水平向左）
（3.13）
橫向力（F的垂直分力，作用于接合面，垂直向下）
（3.14）
傾覆力矩（逆時針方向）
（3.15）
（2）在軸向力的作用下，各螺栓所受額工作拉力為
（3.16）
（3）在傾覆力矩M的作用下，右面兩個螺栓受到加載作用，左面兩個螺栓受到減載作用，故右面的螺栓受力較大，所受載荷為
（3.17）
故右面的螺栓所受的軸向工作載荷為
（3.18）
（4）在軸向力的作用下，地板連接接合面不產(chǎn)生滑移的，根據(jù)底板接合不滑移條件
（3.19）
查閱機械設計手冊得接合面的摩擦系數(shù)，并取，
則，取防滑系數(shù)，
則各螺栓所受的預緊力為
（3.20）
（5）右面每個螺栓所受的總拉力
（3.21）
3）螺栓直徑的確定
選擇螺栓材料為Q235、性能等級為4.6的螺栓，由機械設計手冊得材料的屈服極限，安全系數(shù)S=1.5，故螺栓材料的許用應力。
則螺栓危險截面的直徑（螺紋小徑）為
（3.22）
按粗牙普通螺紋標準（GB/T196-2003），
選用螺紋公稱直徑（螺紋小徑）。
4）校核螺紋組連接接合面的工作能力
（1）連接接合面左端的擠壓應力不超過需用值，以防止接合面壓碎。
由
（3.23）
由機械設計手冊得
（3.24）
（2）連接接合面右端應保持一定的殘余應力，以防止托架受力時結合面間產(chǎn)生間隙，即，由
（3.25）
故接合面右端受壓最小處不會產(chǎn)生間隙。
5）校核螺栓所需預緊力是否合適
對碳素鋼羅順，要求
已知，，取預緊力下限即
要求的預緊力，小于上值，故滿足要求。
3.4.4底座旋轉桿螺栓組的校核
圖3.4.4-1 螺栓組受力分析
結構如圖3.4.4-1所示
由幾何關系知：螺栓只受橫向應力（即垂直方向應力）
現(xiàn)只校核上面螺栓的結構強度來確定算選螺栓規(guī)格。
1）螺栓組結構
采用如圖所示的結構，螺栓數(shù)Z=2，采用對稱布置。
2)螺栓受力分析
在總載荷的作用下，螺栓組連接件承受的只有橫向應力；
橫向應力: （3.26）
連接結合可能產(chǎn)生滑移，由不滑移條件：
（3.27）
查閱機械設計手冊得結合免得摩擦系數(shù)，并取
則，取防滑系數(shù)
則各螺栓所需的預緊力為
（3.28）
上面?zhèn)€螺栓所受的總拉力 （3.29）
3)確定螺栓直徑
選擇螺栓材料為Q235，性能等級為4.6的螺栓，由機械設計手冊得材料的屈服極限，安全系數(shù)S=1.5，故螺栓材料的許用應力
則螺栓危險截面的直徑（螺紋小徑）為
（3.30）
按粗牙普通螺紋標準（GB/T196-2003），
選用螺紋公稱直徑 d=8mm，（螺紋小徑）。
4）校核螺栓所需的預緊力是否合適
對碳素鋼螺栓，要求
已知，，取預緊力下限即
要求的預緊力，小于上值，故滿足要求。
第四章氣壓缸的設計
4.1 動力源確定
通過計算，整個系統(tǒng)需要的最大力為0.8KN，對于人力以及一些普通的輸力工具來說很難提供如此大的力，考慮到治療過程中的復雜性以及患兒的安全性，不易于電動馬達這一類純剛性的機械傳動，為了能為患者提供更好的安全保障和足夠的動力輸出，本項目主要采用氣壓傳動，運用醫(yī)療上靜音氣泵提供氣源，為各個部位的運動提供動力。氣壓裝置具有以下優(yōu)勢：
1）氣壓裝置工作平穩(wěn)，以空氣為介質，能耗小，傳動平穩(wěn)；
2）緩沖性能是其它傳動方式無法比擬的；
3）能夠在運行的過程中實現(xiàn)大范圍內無級調速的調節(jié)；
4）能非常方便、簡單、可靠地實現(xiàn)過載保護功能；
5）氣壓傳動實現(xiàn)往復直線運動簡單。
4.2 氣壓系統(tǒng)圖
1-油霧器 2、9-直動式減壓閥 3-分水濾氣器 4、11-壓力表 5-氣罐 6、15、18、19-單向閥 7-電機 8-定量氣泵 10-二位二通電磁換向閥 12-節(jié)流閥 13-氣馬達 14、25-二位五通電磁換向閥 16、20、23、24-氣缸 17、21-滑柱式行程閥 22-節(jié)流調速閥
圖4-1 氣壓系統(tǒng)原理圖
為實現(xiàn)整個訓練過程的所有動作，我們采用圖4-1所示的氣壓系統(tǒng)圖，整個氣壓系統(tǒng)通過單片機控制電磁換向閥來實現(xiàn)氣壓缸的直線往復運動及氣動馬達的旋轉運動。
4.3 氣壓系統(tǒng)參數(shù)
根據(jù)需要完成的工作要求，確定氣壓缸的參數(shù)。
氣壓缸行程：400mm
氣壓缸工作壓力：0.5Mpa
氣壓桿最大回程速度：0.1m/s
4.4氣壓系統(tǒng)主要結構計算
4.4.1氣壓缸的主要結構尺寸
我們選定的工作參數(shù)為：工作壓力0.5MPa和最大負載0.8KN,缸筒及活塞桿選用45#鋼，根據(jù)公式3-1計算氣壓缸內徑。
（4-1）
選回油壓力=0，此時
（4-2）
考慮到油缸自身摩擦力等因素，缸徑需放大到理論的1.2倍左右，D=17.50mm，查氣壓設計手冊按GB/T2348—1993（mm）選用D=20mm的氣壓缸。根據(jù)機械設計手冊缸的外徑為29mm。
4.4.2活塞缸的直徑
活塞桿選用的材料是45#鋼:
查氣壓設計手冊按GB/T2348—1993（mm）選用d=15mm。
活塞缸直徑校核：
(4-3)
滿足設計要求。
4.4.3氣壓缸活塞寬度B
，所以，取B=0.7D=12.25mm
4.4.4導向套長度C
，所以，取C=1.0 d=12.25mm
4.4.5氣壓缸缸筒壁厚
氣壓缸采用的材料為45號鋼根據(jù)壁厚的計算公式：可以求得，故取
4.4.6活塞行程
根據(jù)整個設備的工作狀況，氣壓缸的行程為376mm,根據(jù)《氣壓設計手冊》活塞行程標準中，選用的行程為400mm。根據(jù)以上計算最終確定的氣壓缸結構如圖4-2所示。
圖4-2氣壓缸結構
第五章康復椅的結論和創(chuàng)新點
5.1結論
不知不覺間兩個多月過去了，而我也即將畢業(yè)融入社會。這兩個月是我提升最高的兩個月。有人說“十年磨一劍，今日試鋒刀”我不禁在想我這把刀是否夠鋒利？因為在做整個畢業(yè)設計的過程中我深刻認識到自己的諸多不足。通過這次畢業(yè)設計使我看到了自身專業(yè)知識的匱乏，無論是理論還是加工工藝自己要學習的東西還有很多。更為重要的是我明白了一個道理，那就是理論和實際不能脫節(jié)，否則自己的設計不會完美。在以后的學習工作中我會更加注重理論知識的學習掌握。
本文對腦癱兒童康復按摩椅的結構設計進行了詳細的剖析與設計。收集現(xiàn)有文獻對現(xiàn)階段腦癱兒童康復器械的性能、療效、性價比等方面進行詳細的了解與分析，設計了一臺具備輔助站立、輔助行走以及輔助進食機構的腦癱兒童康復按摩椅。
我感觸頗深的就是對自己的現(xiàn)階段所學的知識的評價。我大學四年到底學會了多少有關專業(yè)知識？在設計過程中我越來越認識到我越去深究一個問題就發(fā)現(xiàn)自己知識的蒼白，尤以理論知識為甚。在老師的指導下學會了很多以前沒學過的東西，在了解他們的同時我也更了解到自己的無知。有位哲人說過：：“我越學習越覺得自己越無知”。我想我現(xiàn)在就是這種心境。
通過近2個月的努力，以及實驗室同學的支持及協(xié)助，我們成功設計出來了“腦癱兒四肢醫(yī)療康復椅”。通過背景分析和現(xiàn)有產(chǎn)品對照，我們提出了集輔助站立、行走、進食多功能于一體的設計方案。對康復椅的氣動系統(tǒng)，單元模塊規(guī)劃，動作執(zhí)行方式，動作運行軌跡進行了合理的設計，對相關零部件進行了理論計算。同時，應用了現(xiàn)代設計方法和理論，利用設計軟件，建立了康復椅的數(shù)字化設計，對康復椅各零部件的空間布置進行了干涉檢查和優(yōu)化，完成了康復椅的結構設計工作。
最后，設計了腦癱兒童康復按摩椅第一代樣機，并對康復椅的關鍵運動進行了試驗。通過試驗證明：該康復椅具有功能多、性能穩(wěn)定、實用性強的突出優(yōu)勢，并且我團隊正在設計第二代康復椅，主要針對市殘聯(lián)人士推薦的腦癱兒自愿者，針對他們的病情和實際需要，更好的對本方案進行完善，我們相信經(jīng)過進一步的產(chǎn)品化改進設計，本產(chǎn)品將具有很好的市場推廣前景。
通過康復椅在模擬環(huán)境下的運行，總體性能指標：
1）康復椅總重量為10kg，總體尺寸1280x680x1000mm；
2）適應兒童歲，體重kg，身高cm；
2）康復椅的輔助行走機構30-50步/分，輔助站立機構最大推力1000N；
3）各單元可以實現(xiàn)模塊化的拆卸和組合；
4）通過48V鉛酸蓄電池的電力供應可以實現(xiàn)氣動運動功能，并且可持續(xù)供
電16小時。
5.2創(chuàng)新點
我們所研究的腦癱四肢康復醫(yī)療椅的宗旨是利用簡單的機械結構輔助腦癱患者進行康復訓練，盡最大限度改善他們的生活，以減輕家庭和社會的負擔。在作品設計制作過程中，我們的創(chuàng)新點主要集中在以下幾點：
1) 功能多集成化。我們的產(chǎn)品采用模塊化設計，集輔助站立訓練、輔助行
走訓練和模擬進食訓練于一體，可根據(jù)不同的患者采用相應的措施。
2) 動力穩(wěn)定無污染。產(chǎn)品設計采用氣動系統(tǒng)，傳動穩(wěn)定，安全可靠且無污
染。
3) 人性化設計。采用被動訓練，訓練過程更人性化，盡量消除對患兒造成
心理障礙，避開普通康復器械的生硬死板，使患兒有個良好的治療心理
狀態(tài)。
致謝
首先向我的指導教師張玉峰老師及所有幫助和鼓勵我的同學們致謝。沒有你們的幫助我的設計不會如此順利完成。你們每一次的幫助與鼓勵對我來說都是莫大的鼓舞。在我遇到困難的時候，是你們幫助我啟發(fā)我。沒有你們，我所遇到的那些難題不會被輕易解決，更不用說從容應對。
以前只做過課程設計，但同這次設計相比無論是對知識的運用的深度和廣度都是無法相比的。但課程設計教給了我一種設計理念，即反復驗證。同樣也適用畢業(yè)設計。在設計過程中遇到很多難題，在此感謝張玉峰老師，是他孜孜不倦的為我答疑解惑，憑借他深厚的理論知識與豐富的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，為我的設計指明了方向，不斷糾正我我的錯誤，解除我的疑惑，這個設計傾注了張老師太多心血。另外，張老師對我們要求十分嚴格，不放過一處細節(jié)，這種認真負責的人生觀值得我們去學習，感謝老師不僅教會我專業(yè)為知識更教會了我如何做人與做事。
我的同學們，感謝你們一直陪伴著我，陪我完成畢業(yè)設計，給予我無私的幫助與關懷。這四年中，與你們相識相知是我今生最美的際遇。大學的時光很美好，如今我們就要說再見，在此祝愿你們人生旅途一帆風順，望珍重萬千，盼他日再見。
我把這次設計看做是一次旅程，一次對知識探索和運用的旅程。我認為這是一次高強度的體驗，因為畢竟時間有限、自己能力有限。但不管怎樣艱難我走過來了，體驗到了酸甜苦辣。感謝那些幫助我的人，感謝你們陪我走過艱辛、踏過荊棘。沒有你們，我的步伐不會如此堅定；沒有你們，我的步伐不會如此從容；沒有你們，我不會如此順利走完這次旅程。
我們也殷切希望我們的產(chǎn)品能為腦癱患兒帶來真正意義上的幫助，同時呼吁更多的好心人關心腦癱兒！是幫助過我們的老師、同學們以及我們團隊全體成員的付出造就了我們今天的成績，更是關心、關愛腦癱兒的好心人給與了我們這個展示的平臺。愿世上腦癱兒多一份微笑，愿天下好心人一生平安！
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