手指关节功能康复仪设计【含CAD图纸、说明书】
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含CAD图纸、说明书
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1 摘 要 生活中由于中风、脑偏瘫、半身不遂、手指烧伤等导致手指关节不能自由活动，需 要时间长但频率较高的多次按摩才能最终康复。目前，连续被动活动（Continuous Passive Motion，简称 CPM）理论正在进入临床实践并被广大康复医师所接受。针对患 者手部康复治疗需要，为了给手外伤患者提供一个用于手指功能康复的仪器，给手外 科康复医师提供一个临床研究的仪器设备，提高手功能康复治疗的自动化、智能化水 平，根据现代医学护理工作要求经济、实用、功能多和携带方便等因素，针对连续被 动活动装置在手功能康复中应用的特点与难点，本文围绕手指关节功能康复仪的康复 原理、装置的结构设计与尺度综合、机械系统设计、康复仪的运动学和动力学等技术 进行了深入研究，最终设计了这种手指关节功能康复仪，它可以实现：1、手指的屈伸 运动；2、手部按摩功能；3、手指血液循环的促进；4、大脑神经的刺激和保健。该装 置以凸轮的自传和水平往复运动合成的复合运动实现手指的屈伸，用凸轮边缘表面镶 嵌的小滚珠和柔性托板来实现对手指的按摩功能；利用红外线对人和生物体有热效应， 促进血液循环和新陈代谢，从而使人的疾病得到医治和促进人的健康；最后，利用磁 场的治疗功能，调整神经功能。 关键词：连续被动运动；CPM 机；手指关节功能康复仪 2 Abstract Life as stroke, cerebral paralysis, paraplegia, burn fingers as a result of finger joints can not move freely，it requires a long time but the high frequency of multiple massage to get well.At present, continuous passive motion （called CPM) theory is in clinical practice and it is accepted by the general rehabilitation physician. As required of the fingers for the rehabilitation of patients，in order to provide a functional rehabilitation equipment for the finger for patients，to provide a clinical research equipment for hand surgery rehabilitation physician，improve hand function rehabilitation automation and intelligence，according to modern medical care for economy , practical, functional and easy to carry so many factors，continuous passive motion devices for rehabilitation of hand function in the application of the characteristics and difficulties, this paper focuses on joint function recovery instrument finger recovery principle, structuredesign and dimensional synthesis, mechanical system design, rehabilitation apparatus of the kinematics and dynamics techniques in-depth study，final design of this finger joint functional recovery apparatus，it can be achieved: 1, finger flexion and extension; 2 、finger massage function;3, promote finger blood circulation; 4, brain nerve stimulation and health care. The autobiography and the horizontal reciprocating movement of the device to the cam to achieve finger in flexion and extensio，cam surface mount the small ball and soft board to achieve finger massage function;；use of infrared thermal effects on humans and organisms ，promote blood circulation and metabolism，Thus making the disease can be treated and promoting good healthy; finally, the use of magnetic therapy function, adjust the nerve function. Key words:Continuous Passive Motion; CPM machine; Finger joint functional recovery apparatus 3 目录目录引言.1 1 绪论1 1.1 课题背景 .1 1.2 康复机器人研究概述 .2 1.2.1 手部的 CPM 机研究现状2 1.2.2 红外线放射疗法研究6 1.2.3 磁疗的研究9 1.3 本课题的来源及研究目的和意义 .13 1.4 本课题研究的主要内容 .13 2 手指关节功能康复仪的结构设计14 2.1 设计要求 .14 2.2 康复仪结构设计及其工作原理 .14 2.3 总体方案设计 .15 2.3.1 人手的生物学特性分析15 2.3.2 传动方式16 2.3.3 电机选择21 2.3.4 机构设计计算21 2.3.5 力学分析.34 3 控制部分的设计.40 3.1 说明 .40 3.2 电路部分的设计 .40 3.2.1 传感器电路.40 3.2.2 电机驱动电路.41 总结.43 谢 辞.44 参考文献45 4 5 引言 手指关节功能康复仪是康复医学和机械的完美结合，其作为现在医学上辅助医疗 的医疗机器人的一个重要分支，也可称为康复机器人。自 20 世纪 60 年代初世界第一 台机器人在美国问世以来，经过四十余年的发展，机器人正在进入医疗领域，并显示 强大的生命力和广阔的应用前景。因此，世界各国特别是西方发达国家都争先开展高 技术用于医疗器械的研究和发展，并先后在医学界、科学技术界、工业界制定了各种 研究计划，许多产品已经走向市场和临床应用。中国人口众多，是医疗仪器、器械的 使用大国。我们若能抓住机遇，从国情出发，自主设计开发辅助医疗机器人系统，解 决国内医疗技术迫切需要解决的问题，就可以避免落后引进在落后的被动局面， 在医用机器人领域实现跨越发展。因此，开展基于先进机器人技术的医疗机器人研究 具有显著的社会效益、经济效益和理论研究价值。 1 绪论 1.1 课题背景 康复机器人在医疗实践上主要是用于恢复患者肢体系统的功能。运动系统的问题 可以划分为两类：一类是生物力学或生物物理化学类型的应用，另一类是运动学习。 当人的肢体受外伤、烧伤、或做手术后，由于受伤组织的皮肤、韧带和肌肉失去弹性 而导致肢体运动的速度和范围受到限制。生物力学或生物物理化学类型的应用就是使 用机器人系统来打破受伤肢体的运动范围。 CPM 机是康复治疗机器人的一种。CPM 机是利用康复医学中连续被动活动 （Continuous Passive Motion，简称 CPM）的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机 械装置。连续被动活动理论在 1960 年左右由 Salter 提出，进过数十年的临床及动物 试验，在 1970 年他提出 CPM 装置假说，内容为：增加关节软骨的营养与新陈代谢的 活力；刺激多能叶间细胞去分化进入到关节软骨之中，反抗纤维化的组织或骨头并 带领着软骨再生；加速关节软骨与钙化组织的复原。 关节在受伤或者术后的僵直的发展过程经过四个阶段：出血、浮肿、产生肉芽组 织和纤维化。连续被动活动可能在前两个阶段中用于关节和周围组织的活血和散瘀， 这就要求保持正常的周围组织的依从性。如果在受伤或术后立刻采用连续被动活动进 行整个关节范围的活动一直到关节僵直不再继续发展，这样对于阻止关节僵直的发展 是非常有效的。上述观点首先在膝关节的康复治疗应用中成功，后来又在肘关节的康 复治疗中得到验证，从而证明了连续被动活动这一理论在关节功能康复治疗中应用的 有效性。连续被动活动理论提出后不久便有了用于膝、肩、肘关节等康复的 CPM 装置 6 出现，但由于受技术原因，此类 CPM 装置长期停留在“大关节”康复的范围内。最近 有关机构研制的用于手腕关节和指关节这样的“小关节”康复的 CPM 装置，但还不能 想“大关节”CPM 装置那样实现精确的控制，对多关节康复训练的 CPM 装置而不是多自 由度的驱动机构，治疗的效果还有待提高。 1.2 康复机器人研究概述 1.2.1 手部的 CPM 机研究现状 康复机器人的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、计 算机学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。康复的含义是在受 创伤或得病后恢复患者肢体或器官的正常的形状或功能。康复工程就是致力于为患者 提供此类辅助装置。吧先进的机器人技术引入到康复工程中的康复机器人体现了康复 医学和机器人技术的完美结合。目前康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和 康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和理论 发展。 康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合。第一次尝试把为残疾人服务的机 器人系统产品化是在上世界 60 年代到 70 年代。实践证明这些尝试都失败了，其主要 有两方面的原因：其一是设计得不理想，尤其是人机接口；另一个不是技术的原因， 单价太高导致了康复机器人产品化的失败。上世纪 80 年代是康复机器人研究的起步阶 段，美国、英国和加拿大在康复机器人方面处于世界的领先地位。1990 年以前全球的 56 个研究中心分布在 5 个工业区内：北美，英联邦，加拿大，欧洲大陆和斯堪的纳维 亚半岛及日本。1990 年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。 目前，康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、 假肢和康复治疗机器人等几个方面。 随着 CPM 康复理论研究和 CPM 装置临床实践的不断发展，CPM 装置的发展呈现向 小关节喝多关节的方向发展；向小型化、嵌入式、便携式发展；向智能型和网络 化发展；开发复合更有效的结构形式；开发和应用新的动力源和传动方式；提 高医学专家和患者在康复过程中的主观能动性的研究内容与成果体现了这种发展趋势。 目前手指关节 CPM 机已经出现，本文对近几年的发展作了研究，1999 年，韩国成 均馆大学科研人员研制出一种针对手指外伤的康复机械手，如图 1-1 所示。实现食指 关节的康复运动，DIP、PIP 关节康复机构采用平面四杆机构，MP1、MP2 关节采用空间 六杆机构，采用钢丝的键驱动方式，每个关节可以单独控制，同时集成了力传感器和 角度传感器，但力传感器在机构的驱动杆件上，并不是康复运动中真正作用在手指上 的力，角度传感器安在四杆机构的顶端，计算出的康复角度与实际的有较大的误差。 7 2001 年，美国科研人员研制出的针对五个手指的康复机械手，采用前驱动的控制 方式，每个手指的康复运动用一个电机控制，共 5 个电机，每个手指的指端与机构固 定，通过钢丝的拉伸运动，指端的弯曲和伸直带动整个手指实现弯曲运动，驱动机构 与执行机构分离，优点是结构紧凑、轻便，但并未集成力传感器和位置传感器，不能 对康复效果做有效的信息反馈和评价。如图 1-2 所示。 2003 年，英国曼侧斯特大学科研人员设计出一种外骨骼式康复机构，如图 1-3 所 示，采用模块化的设计思想，实现四个手指的康复运动，采用钢丝作为传动机构。整 个机构有三部分组成，外骨架模块，康复机构的主要部分，用于固定手指，集成微 型力矩传感器，有效的传递手指上的力觉信息；手套模块，固定外骨骼同时保护手 指免受伤害；电机驱动模块。该机构针对不同人的手指特征进行调整，不同长度和 粗细的手指都可进行康复训练，系统集成了力传感器，能够实时准确的反馈手指的力 8 觉信息。 2004 年，美国卡内梅隆大学机器人研究所科研人员研制出一种新型的手部 CPM 机。 如图 1-4 所示，该机构固定大拇指，单独康复食指，机构可以针对不同人的手指进行 调整，DIP、PIP 关节的康复运动机构，气动驱动，能达到良好的康复效果，只是并未 建立起有效的感知系统来反馈康复运动信息。 2005 年，德国柏林工业大学的机器人研究中心的科研人员在现在的康复机构手的 基础上研制出了一种新型的手部 CPM 机。仍然采用平面四杆机构，但驱动杆为贴近手 指的连杆，可以减少力传递过程中的能量损失，获得更好的康复角度和力矩，实现了 单个手指关节的精确控制，整个机构由四部分组成：指套执行机构驱动机构 集成微型传感器，同样，该设计驱动模块和执行模块分开，采用钢丝的键驱动方式， 如图 1-5，图 1-6 所示。 9 国内的哈尔滨工业大学和哈尔滨工程大学等学校都进行了相关的研究，对现有的 康复机构进行了改进，并且集成了力、角度微型传感器，与执行机构巧妙的结合在一 起，重量轻，达到良好的康复效果。 目前市场上出现了适合手指关节康复的 CPM 机，如图 1-7 所示，价格较高，多个 手指采用一个电机控制，虽然实现康复运动，但不够精确，且不能对康复过程实时监 控，缺乏感知信息。 综合以上分析，现有的手部 CPM 大多存在下列的缺点和不足：康复过程中缺乏 对手指关节速速、关节力矩、关节角度进行精确控制；感知能力较差，力和位置反 10 馈信息不足，对康复效果在物理上不能作有效的评价；安全性有待进一步提高； 体积较大，携带不便。 1.2.2 红外线放射疗法研究 红外线的物理性质 在光谱中波长自 0.76 至 400 微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有 高于绝对零度（273）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用 红外线可分为两类：近红外线与远红外线。近红外线或称短波红外线，波长 0.761.5 微米，穿入人体组织较深,约 510 毫米；远红外线或称长波红外线，波长 1.5400 微 米，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于 2 毫米。 红外线的生理作用和治疗作用 人体对红外线的反射和吸收 红外线照射体表后，一部分被反射，另一部分被 皮肤吸收。皮肤对红外线的反射程度与色素沉着的状况有关，用波长 0.9 微米的红外 线照射时，无色素沉着的皮肤反射其能量约 60；而有色素沉着的皮肤反射其能量约 40。长波红外线（波长 1.5 微米以上）照射时，绝大部分被反射和为浅层皮肤组织 吸收，穿透皮肤的深度仅达 0.052 毫米，因而只能作用到皮肤的表层组织；短波红 外线（波长 1.5 微米以内）以及红色光的近红外线部分透入组织最深，穿透深度可达 10 毫米，能直接作用到皮肤的血管、淋巴管、神经末梢及其他皮下组织。如表 1。 表 1 皮肤对红外线的透过率 波长（微米）透过率（） 2.0 1.5 1.2 1.0 0.8 0.7 0.6 0.57 0.54 16 39 40 40 40 37 37 32 16 红外线红斑 足够强度的红外线照射皮肤时，可出现红外线红斑，停止照射不 久红斑即消失。大剂量红外线多次照射皮肤时，可产生褐色大理石样的色素沉着，这 与热作用加强了血管壁基底细胞层中黑色素细胞的色素形成有关。 红外线的治疗作用 红外线治疗作用的基础是温热效应。在红外线照射下，组 织温度升高，毛细血管扩张，血流加快，物质代谢增强，组织细胞活力及再生能力提 高。红外线治疗慢性炎症时，改善血液循环，增加细胞的吞噬功能，消除肿胀，促进 11 炎症消散。红外线可降低神经系统的兴奋性，有镇痛、解除横纹肌和平滑肌痉挛以及 促进神经功能恢复等作用。在治疗慢性感染性伤口和慢性溃疡时，改善组织营养，消 除肉芽水肿，促进肉芽生长，加快伤口愈合。红外线照射有减少烧伤创面渗出的作用。 红外线还经常用于治疗扭挫伤，促进组织肿张和血肿消散以及减轻术后粘连，促进瘢 痕软化，减轻瘢痕挛缩等。 红外线对眼的作用 由于眼球含有较多的液体，对红外线吸收较强，因而一定 强度的红外线直接照射眼睛时可引起白内障。白内障的产生与短波红外线的作用有关； 波长大于 1.5 微米的红外线不引起白内障。 光浴对机体的作用 光浴的作用因素是红外线、可见光线和热空气。光浴时， 可使较大面积，甚至全身出汗，从而减轻肾脏的负担，并可改善肾脏的血液循环，有 利于肾功能的恢复。光浴作用可使血红蛋白、红细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、嗜酸 粒细胞增加，轻度核左移；加强免疫力。局部浴可改善神经和肌肉的血液供应和营养， 因而可促进其功能恢复正常。全身光浴可明显地影响体内的代谢过程，增加全身热调 节的负担；对植物神经系统和心血管系统也有一定影响。 设备与治疗方法 红外线光源 红外线辐射器 将电阻丝缠在瓷棒上，通电后电阻丝产热，使罩在电阻丝外的碳 棒温度升高（一般不超过 500），发射长波红外线为主。红外线辐射器有立地式和手 提式两种。立地式红外线辐射器的功率可达 600100 瓦或更大。近年我国一些地区制 成远红外辐射器供医用，例如有用高硅氧为元件，制成远红外辐射器。 白炽灯 在医疗中广泛应用各种不同功率的白炽灯泡做为红外线光源。灯泡内的 钨丝通电后温度可达 20002500。白炽灯用于光疗时有以下几种形式： 立地式白炽灯：用功率为 2501000W 的白炽灯泡，在反射罩间装一金属网，以为 防护。立地式白炽灯，通常称为太阳灯。 手提式白炽灯：用较小功率（多为 200W 以下）的白炽灯泡，安在一个小的反射罩 内，反射罩固定在小的支架上。 光浴装置 可分局部或全身照射用二种。根据光浴箱的大小不同，在箱内安装 4060W 的灯泡 630 个不等。光浴箱呈半圆形，箱内固定灯泡的部位可加小的金属反 射罩。全身光浴箱应附温度计，以便观察箱内温度，随时调节。 红外线治疗的操作方法 患者取适当体位，裸露照射部位。 检查照射部位对温热感是否正常。 将灯移至照射部位的上方或侧方，距离一般如下： 功率 500W 以上，灯距应在 5060cm 以上；功率 250300W，灯距在 3040cm； 功率 200W 以下，灯距在 20cm 左右。 12 应用局部或全身光浴时，光浴箱的两端需用布单遮盖。通电后 35 分钟，应询问 患者的温热感是否适宜；光浴箱内的温度应保持在 4050。 每次照射 1530 分钟，每日 12 次，1520 次为一疗程。 治疗结束时，将照射部位的汗液擦干，患者应在室内休息 1015 分钟后方可外出。 附注意事项 1 治疗时患者不得移动体位，以防止烫伤。 2 照射过程中如有感觉过热、心慌、头晕等反应时，需立即告知工作人员。 3 照射部位接近眼或光线可射及眼时，应用纱布遮盖双眼。 4 患部有温热感觉障碍或照射新鲜的瘢痕部位、植皮部位时，应用小剂量，并密切 观察局部反应，以免发生灼伤。 5 血循障碍部位，较明显的毛细血管或血管扩张部位一般不用红外线照射。 照射方式的选择和照射剂量 不同照射方式的选择 红外线照射主要用于局部治疗，在个别情况下，如小儿 全身紫外线照射时也可配合应用红外线做全身照射。局部照射如需热作用较深，则优 先选用白炽灯（即太阳灯）。治疗慢性风湿性关节炎可用局部光浴；治疗多发性末梢 神经炎可用全身光浴。 照射剂量 决定红外线治疗剂量的大小，主要根据病变的特点、部位、患者年 龄及机体的功能状态等。红外线照射时患者有舒适的温热感，皮肤可出现淡红色均匀 的红斑，如出现大理石状的红斑则为过热表现。皮温以不超过 45为准，否则可致烫 伤。 主要适应证和禁忌证 适应证 风湿性关节炎，慢性支气管炎，胸膜炎，慢性胃炎，慢性肠炎，神经 根炎，神经炎，多发性末梢神经炎，痉挛性麻痹、弛缓性麻痹，周围神经外伤，软组 织外伤，慢性伤口，冻伤，烧伤创面，褥疮，慢性淋巴结炎，慢性静脉炎，注射后硬 结，术后粘连，瘢痕挛缩，产后缺乳，乳头裂，外阴炎，慢性盆腔炎，湿疹，神经性 皮炎，皮肤溃疡等。 禁忌证 有出血倾向，高热，活动性肺结核，重度动脉硬化，闭塞性脉管炎等。 附处方举例 1 红外线照射双膝关节 灯距 40cm，30 分钟，每日一次，7 次。 适应证：慢性风湿性关节炎 2 红外线照射右侧胸廓（下半部） 灯距 50cm，20 分钟，每日一次，8 次。 13 适应证：右侧干性胸膜炎 3 太阳灯照射腰骶部 灯距 40cm，2030 分钟，每日一次，6 次。 适应证：腰骶神经根炎 4 全身光浴 箱内温度 4045，2030 分钟，每日一次，8 次。 适应证：多发性末梢神经炎 5 左小腿局部光浴 2030 分钟，每日一次，8 次。 适应证：左侧腓总神经外伤 1.2.3 磁疗的研究 磁疗（magnetotherapy），以磁场作用于人体治疗疾病的方法。磁场影响人体电 流分布、荷电微粒的运动、膜系统的通透性和生物高分子的磁矩取向等，使组织细胞 的生理、生化过程改变，产生镇痛、消肿、促进血液及淋巴循环等作用。磁疗的常用 方法有：静磁疗法。用于穴位和病变局部。动磁疗法。又称旋磁和脉动磁疗法。 磁化水疗法和磁针疗法等。临床常用以治疗软组织损伤、表浅血管瘤、乳腺增生、 神经痛、胃肠功能紊乱等。 一、磁疗特点 中国应用磁场于医疗方面，经过近四十年来的实践和研究，具有以下特点。 适应症广 应用各种类型的磁场治疗疾病时，其适应症状广，不仅在内科疾病与外科疾病方面， 有大量的适应症，而且在妇科、儿科、眼科、耳鼻喉科、皮肤科等各科中，均有不少 疾病是磁疗的适应症，应用磁场治疗的疾病，已超过百种。 疗效好 磁疗法发展快、治疗疾病种类多，对于多种疾病有良好、较好或有一定的治疗效果， 磁场除了疗效好，而且对有的疾病的效果产生也快。甚至有的疾病可以出现即时效果。 省时方便 磁场疗法不仅可在医院、门诊部开展，而且也可以不去医院就可以应用磁场治疗疾病， 在医生指导下，将磁片贴敷于穴位或病变部位，或者使用磁性健康用品后，定期与医 生联系，反映使用情况，就不必每天去医院，而可以边工作边治疗，节省很多时间； 有些小型的磁疗机或磁疗用具，经过简单的学习，就可以自己或家人帮助操作，有的 磁疗产品价格合理，而且可以反复使用，因此经济节约。 14 多病兼治 磁疗法属于物理疗法的范畴，磁场属于一种物理治疗因素，一般物理疗法在施治时， 是针对某一种疾病，而磁疗法则与其他物理疗法有所不同，有时可以同时治疗几种疾 病，如用磁片贴敷治疗扭挫伤，如同时有关节炎，失眠，再加贴与其有关的穴位，则 关节炎、失眠也可以同时治疗了。又如使用磁性床垫治疗失眠，如同时有高血压病， 那后者也可以同时得到治疗，如因神经衰弱使用磁性枕垫，如同时有颈椎病，那颈椎 病也同时得到治疗。 治疗作用的双向性 在物理疗法中，有些物理因素的作用具有双向性，如有的物理因素有镇静作用，同时 也有兴奋作用，但必须有一个条件，即使用剂量不同，或极性不同，而磁疗法不需上 述类似条件，在有的情况下可以产生两种不同的作用，如应用磁场使面神经的兴奋性 升高，治疗面神经麻痹，同时又可以降低面神经的兴奋性，治疗面肌抽搐，又如应用 磁场降低肠平滑肌的兴奋性，治疗因肠平滑肌运动亢进而引起的腹泻，磁场又可以用 增强平滑肌的活动性，故可治疗因肠平滑肌运动缓慢所致的便秘。 无痛苦、无损伤、安全性好 在施行磁疗时，患者没有痛苦与不适，无任何损伤，因此易于为患者所接受。在穴位 上施行磁场治疗时，不象针刺那样需要刺破皮肤，对于因病而需要针刺治疗时，有的 可以应用磁场代替针刺治疗，故尤其适用于怕针惧痛的患者。即使极个别人在接受磁 场治疗时，产生某些不适反应，降低磁场强度或停止磁场作用后，不适应反应将会消 失，因此说磁疗法是一种安全性好的治疗方法。 二、磁疗现状 中国在古代就用磁疗治病。60 年代初用铁氧体磁块贴敷穴位治高血压、关节炎等 症状，后来出现了磁疗机及衣、帽、鞋、裤、垫等随身衣物上贴敷磁场的疗法，旋磁 法、磁电法、磁针法等。 中国的磁疗已进入多层次、多学科、多水平和深入提高的阶段。对磁疗的理论，生物 效应，临床适应症，方法学，磁疗产品研究等，都有较明确的论证。磁疗已成为物理 治疗的主要方法之一。有许多医疗科技工作者对机理进行更深一步的研究，多种磁疗 服饰、磁疗睡眠系统正在向高层次发展。 三、磁疗作用机理 磁性是物质的属性之一。人体也具有一定的磁性，现已发现人脑、心脏、皮肤和 其他器官的电流活动都产生有磁 场，甚至连头发上的毛囊也产生有磁场。由于现代磁 学和生物学的发展，出现了生物磁学这门边缘科学，现已获知磁性物质和磁场对生物 学的生理机能都有一定的作用和影响，这种作用和影响叫生物的磁效应。这种磁效应 应是由于物体内部微观结构的电子运动和构成生物组织的物质磁性决定的。科学实验 已证实，磁性物质和磁场对生物的分子、细胞、神经、器官及整体（指活体）的各个 15 层次均显示出不同的影响。磁疗就是利用人体内部的这种生物磁效应来调整和恢复人 体内各种不平衡或不正常的机能状态来达到保健的目的。根据生物的磁效应，磁疗治 病机理可以概括为以下几个方面： 1生命过程中的氧化还原反应、神经的传导、心肺的搏动等都与人体内部的电子传递 有关，磁场可以影响电子的运动。 2生物膜的渗透性有极强的选择性，它对人体内部的脑电位及物质的交换和代谢有主 要的作用。磁场能影响一些带电离子，如钾、钠、氧的渗透能力。 3人体中的各种酶和蛋白质都含有许多微量过渡金属，如铁、钴、锰、铜等。这些微 量元素大多是各种酶和蛋白质的组成部分，同时又是酶和蛋白质的活动中心。磁场通 过对过渡金属元素（磁性离子）的作用而改变这些酶和蛋白质的活动功能，加速酶系 统的生化反应。 四、磁疗作用 1磁疗能增强白血球的生命力，在磁场的作用下，白血球吞噬机能比较活跃，红血球 和淋巴细胞的沉降变慢，有利于消炎和降低血沉。 2磁疗能改善血液循环，增强氧气和铁质的吸收，排除二氧化碳和血液内的污物（有 害毒素和疲劳物质）。 3磁疗能在体内产生电流，增加血管壁的弹性使血管扩张，降低血液粘度，加快血流， 消除栓塞。 4磁疗有加强内分泌液渗透作用，纠正内分泌的失调和紊乱。 5磁疗能刺激人体的感应器兴奋末梢神经，调节神经功能。 6磁疗能使致痛物质如缓激肽、5-色胺、酸性代谢产物等扩散和消失，减轻和消除疼 痛。 从中医来说，由于磁疗象针灸一样，主要是通过人体经穴来治疗疾病，说明磁疗对经 络的作用是很明显的，经络的实质虽然至今医学上尚未阐明和作出定论，有认为是现 代的神经系统，也有认为是血管系统，再有认为是内分泌系统，还有认为是淋巴系统， 或是它们之间的组合，但经络是客观存在的。 不仅中医是这样认为，西医也对经络的存在是肯定的，这些系统是都属于人体的神经 体液，所以磁疗都对其产生作用和影响，按中医来说，即：活血化淤是中医的重要疗 法，特别是 70 年代以来，活血化淤的临床应用有很大发展，治疗的范围愈来愈广泛， 疗效愈来愈高，对其机理的研究愈来愈深。 在临床上已证实，凡是中医活血化淤疗法能够治疗的疾病，磁疗大都能治疗，而且效 果很好，如血肿、高血压、脑中风（脑血管病）、冠心病、糖尿病、胸腔积水、肾炎、 水肿，尤其是关节疼痛等都收到很好的效果，说明磁疗的活血化淤的作用是很强的， 所以从中医来说，磁疗的作用更加明显。 五、磁疗健康 16 科学家经过实验和观察发现，磁场效应有益健康。所谓磁场效应就是磁场作用于 人体后引起的生物效应。归纳起来有以下几个方面： 1促进细胞代谢，活化细胞，从而加速细胞内废物和有害物质排泄。 2平衡内分泌系统。 3促进血液循环，改善微循环状态。 4促进炎症消退，消除炎症肿胀和疼痛。 5双向调节血压，尤其能使高血压降低。 6提高红细胞的携氧能力，降低血液粘度。 7增强和改善人体免疫功能，提高人体对疾病的抵抗能力。 8有抗衰老作用，清除体内积存的自由基。 9改善血脂代谢，有降低胆固醇作用。 10消除疲劳、促进体力恢复。 11镇静作用，消除失眠和神经紧张。 上述种种磁场效应，确实对人体健康能起到有益作用，是人类理想的健康之宝。 磁疗在中国可谓历史悠久。早在秦汉时期，人们就开始用天然的磁石治病。在(神 农本草经)中就有记载：“磁石味辛酸寒，主治周痹风湿、肢节肿痛，不可持物。“随 着医学科学的发展，创造出不少磁疗器械，如磁针法、磁电法、直流电磁疗、旋转磁 疗法、交变磁疗法等。因磁疗使用方法简单，安全可靠，无损伤，无痛苦，已被广泛 地应用于临床，深受广大病人欢迎。 因磁场能改善血液循环和组织营养，降低末梢神经的兴奋性，促使致痛物质的分解和 转化，从而具有镇痛作用；磁场可以加强局部的血液循环，改善组织的通透性，有利 于炎症的消散和渗出物的吸收。同时，磁场还能提高机体的非特异性免疫功能，似改 变病人的全身状态，提高对疾病的抵抗能力，抑制和防止疾病的复发；磁场可促进局 部的血液循环，加速炎症渗出物的吸收和消散，具有消肿作用。 磁疗的剂量要根据病人的年龄、身体状况、病情、治疗部位等具体情况决定。磁场的 强度一般分为三级：在 0.05T(特斯拉)以下者为小剂量；0.05-0.15T 者为中等剂量； 0.15T 以上者为大剂量。老年体弱者，一般宜从小，剂量开始，如疗效不明显而无明显 副作用时，可适当加大磁场强度。磁疗的时间、疗程也需根据病人具体情况而定。 在家里进行磁疗，最常用的是磁片贴敷法。这种方法最容易掌握，只要选择合适磁场 强度的磁片，用胶布固定在治疗部位或一定的穴位上即可。若对磁片过敏，可在磁片 下衬以薄纸，再用胶布固定。一般磁片贴敷法可连续进行 5-6 天，取下休息 1-2 天再 贴，3-4 周为一疗程。贴敷磁疗时，其副作用大多在两天内出现，有恶心、呕吐、心慌、 一时性呼吸困难、头晕、嗜睡、乏力、低热等。轻者可对症治疗，重者则需停止磁疗。 17 1.3 本课题的来源及研究目的和意义 人手是一个极易受到损伤的器官。在创伤中，手指伤占有较大的比例，占外科急 诊总数的 20%以上，占骨科急诊总数的 40%。由于手部解剖比较精细，神经血管纵横交 错，小肌肉遍布全手，致使手部损伤的治疗要求较高，难度较大，治疗后康复期长， 手完成精细动作的功能恢复多不理想。如何更好的促进外伤后手的功能恢复，已显得 至关重要。 手部的主要功能要通过手指的灵活运动来完成，而严重影响手指功能的外伤主要 包括以下几种：手部伸屈指肌腱损伤、手指骨折、脱位、影响手指运动的相应的神经 肌肉损伤、手指离断伤、手指及手掌软组织挫伤。临床上手外伤术后多需将患指固定 于功能位、休息位或某一特殊位 3-4 周。致使淤积于关节内肌腱周围的淤血已经形成 纤维变性，这就直接导致手指关节及肌腱的粘连，在不同程度上影响患指的功能。近 年来，手外科的临床医生已经对这种情况予以高度关注，并积极寻找解决办法。 目前治疗手外伤康复期手部活动功能障碍的主要方法有理疗，包括：湿热疗法、 电磁波、超声、氦氖激光照射、感应电疗法；患指主动活动及应用支具及弹力装置进 行手指的被动活动，如动力型夹板。近年来，连续被动活动（CPM）这一新生的生物学 概念已经出现。即在连续被动活动作用下，加速关节软骨及周围的肌腱和韧带的愈合 和再生，使连续被动活动这一治疗理念为广大临床医生所接受。但到目前为止，仍无 一种能较好解决关节僵直及手僵直的治疗器具临床使用。 国外临床上对于手外伤后手的功能改善和康复方面主要采用的是通过修复受损神 经，解除神经压迫，以及通过健全的肌肉肌腱的移植转位来重建或改善患手的功能。 目前，国内外无论是市场上还是科研单位，都出现了对手指关节康复的 CPM 机器，但 他们还不能像大关节 CPM 机那样实现精确地控制，不能对手指抓握等精巧的动作进行 训练，治疗的效果还有待提高。 鉴于以上原因，根据现代循证医学（Evidence Based Medicine，简称 EBM）和 CPM 理论，在对手（指）运动进行建模、仿真并进行系统的运动学和动力学分析的基础 上，研究设计一种适合于手指功能康复治疗的仪器。该手指关节功能康复仪能更好地 促进手部创伤患者的功能锻炼恢复，使恢复运动更加有效，恢复过程更短，安全性也 将得到更好的保障。 1.4 本课题研究的主要内容 本文研究的主要内容分为以下几个方面： 康复仪的机械结构设计 根据手指的生理特征以及康复机构的工作原理，完成 机械结构设计。要求康复仪尽量方便、安全、体积小、可靠、实用。 18 机构运动和受力分析 根据康复原理和要求计算机构和手部的受力情况。确保 机构的可靠性以及患指的安全性。 电机选择 根据康复仪机构的工作要求选择适当的电机。尽量选择小电机，以 便康复仪整体体积小，方便灵活。 2 手指关节功能康复仪的结构设计 2.1 设计要求 手指关节功能康复仪的机械系统是整个系统的执行系统。机械系统包括完成创伤 手指的连续被动活动的 CPM 装置和其必须的动力和传动部件。另外，机械系统还要考 虑整个系统的信号调理电路板、电气安装接口等。 本章主要介绍康复仪的机械结构设计。 2.2 康复仪结构设计及其工作原理 机构组成 根据研究设计，手指关节功能康复仪实物图如图 2-1。 图 2-1 手指关节功能康复仪的结构图 凸轮柱由凸轮轴、凸轮片、直径为 3mm 的铜柱和若干个小滚珠组成。 曲柄滑块机构由曲柄轴、曲柄轮、连杆和凸轮组成。 19 带传动机构由带轮轴、带轮和传动带组成。 柔性托板机构有托板、铰链组、拉力弹簧和压力弹簧组成。 红外线装置由电路板、21 个红外线发射管和 24 个普通发光二极管组成。 磁疗装置由安装在仪器底座上 4 个固定磁块和在凸轮柱内部的两个磁块组成。 工作原理 如图 2-1 所示，康复仪有两个电动机，可调速电动机 11 通过凸轮轴带动凸轮柱旋 转，与柔性托板机构共同对手指进行按摩作用。可调速电动机 2 与带轮轴连接， 经过一级带传动减速后，通过曲柄滑块机构带动凸轮柱水平往复运动，和柔性托 板一起实现手指关节的屈伸运动。安装在机体后内测的红外线装置在按摩过程中 发光发热，促进患者手部的血液循环，增强了按摩效果。磁疗装置在按摩过程中， 由于磁体自身运动角度的变化，产生循环的交变磁场，与手指关节的屈伸、按摩、 红外线发射疗法四位合一，康复效果更佳。 2.3 总体方案设计 2.3.1 人手的生物学特性分析 人手具有复杂的结构，是由骨骼和连接骨骼的韧带、作为动力机构的肌肉和把肌 肉与骨骼连在一起的肌腱以及手上的软组织和皮肤等（忽略神经及血液系统）组成。 骨骼在关节处相连，其大小不变。肌肉产生力矩，通过肌膜控制关节的运动，对每一 条肌肉都与一条或多条与其力矩相反的肌肉与它相互作用。由于骨骼在运动中发挥支 撑以及姿态的主导作用，因而对于手部运动的研究也必须以其骨骼的构造为主要对象。 事实上，不同部位的关节的形状与功能的不同，则决定着最终的姿态。其中的主要原 因就是处于关节之间的骨骼不会自身的变形，即这种连接相对可认为属于刚体性质。 因而运动完全取决于关节的转动本身。 一般地，手部的关节至多是弯曲运动和内收外展运动。弯曲运动是指在手掌自然 20 平面相纵向垂直的平面上的运动。这主要由手背的的指间关节和腕部关节来完成。除 能完成完全运动之外，手背的掌与指连接的关节，还能进行内外展运动。应当说明的 是，这类关节的弯曲运动与内收外展运动间含有特定的约束关系，即弯曲运动完成之 后，一般不再有内收外展轴向的转动。 出大拇指外其他四个手指相对于手掌的运动由指掌关节 MP、指间关节 PIP、指端 关节 DIP 决定手指有 4 个自由度，其中 MP 处有 2 个自由度；PIP 和 DIP 处各有 1 个自 由度；大拇指有 2 个自由度，整个手指共有 18 个自由度，如图 2-2 所示。 图 2-2 人手机构模型 手指运动的特点包括：手指关节的弯曲伸展范围和内收外展范围有限，如 MP 关 节的弯曲角度一般不大于 90 度；各段手指骨在同一个平面内运动；大拇指外伸的 两段指骨在同一平面内运动；MP 处弯曲的轴线和内收外展的轴线几乎垂直；PIP 和 DIP 之间的运动相互约束，即使没有外力作用，弯曲 PIP 的同时，DIP 也必然会弯曲； 反之亦然。依据正常成年男女手指功能模型，手指运动角度如表 2 所示。 表 2 手指屈伸角度范围 2.3.2 传动方式 在康复仪整个机构中，要实现对手指的按摩以及实现手指关节的屈伸运动。 对手指的按摩是通过凸轮的旋转运动实现的，如图 2-2 所示，凸轮的旋转 运动由电动机 11 利用联轴器通过凸轮轴带动凸轮旋转，而电动机 2 也是利用联轴 器使主动轮 14 旋转的。 联轴器的作用是连接两轴，传递运动和转矩。 21 联轴器类型如下： 联轴器类型的选择原则： 根据机器的工作特点、性能要求，结合联轴器的性能等选择。 1、对低速、刚性大的短轴，可选用刚性固定式联轴器； 2、对低速、刚性小的长轴，则宜选用刚性可移式联轴器； 3、对传递转矩较大的重型机械，可选用齿轮联轴器； 4、对需有一定补偿量，单向转动而冲击载荷不大的中、低速传动的水平轴的 联接，可选用滚子链联轴器； 5、对高速轴，应选用弹性联轴器 ； 6、对轴线相交的两轴，则宜选用万向联轴器。 由上面分析我们选择刚性固定式联轴器。常用的刚性固定式联轴器有套筒式、 夹壳式和凸缘式等 ，图 2-3 是两种凸缘联轴器。 图 2-3 凸缘联轴器 22 而对手指关节的屈伸运动时通过凸轮的水平往复运动实现的，由图 2-2 知，可 调速电动机 2 与带轮轴连接，经过一级带传动减速后，通过曲柄滑块机构带动凸轮柱 水平往复运动，和柔性托板一起实现手指关节的屈伸运动。电动机 2 带动主动轮 14 转 动，主动轮经过传送带带动从动轮 13 转动，而从动轮与两个一样的曲柄轮同轴连接， 曲柄轮与从动轮以相同的角速度转动，曲柄轮通过连杆带动凸轮实现凸轮的水平往复 运动。 带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮和传动带。当主动轮转动 时，利用带轮和传动带之间的摩擦或啮合作用，将运动和动力通过传动带传递给从动 轮。带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，在近代机械中应 用广泛。 带传动的组成 固联于主动轴上的带轮 1(主动轮)； 固联于从动轴上的带轮 3(从动轮)； 紧套在两轮上的传动带 2，如图 2-4 所示。 图 2-4 带传动 传动原理 摩擦传动：当主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦力，便拖动从动轮一起转动， 并传递动力（平带和带传动） 。 啮合传动：当主动轮转动时，由于带和带轮间的啮合，便拖动从动轮一起转动，并 传递动力（同步带传动） 。 带传动的特点 结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲减振； 摩擦式带传动有弹性滑动和打滑的现象，传动比不稳定。 带传动的类型 平带传动，结构简单，传动效率高，带轮也容易制造，在传动中心距较大的场 合应用较多。 圆带传动结构简单，其材料常为皮革、棉、麻等； 在一般机械传动中，应用最广的带传动是带传动，在同样的张紧力下，带 传动较平带传动能产生更大的摩擦力。 23 V 带传动中 V 带的横截面呈等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽，传动时，V 带 的两个侧面和轮槽接触，槽面摩擦可以提供更大的摩擦力； 多楔带传动兼有平带传动和带传动的优点，柔韧性好、摩擦力大，并解决了 多根 V 带长短不一而使各带受力不均的问题，主要用于传递大功率而结构要求紧凑的 场合。 同步带传动是一种啮合传动，具有的优点是：无滑动，能保证固定的传动比； 带的柔韧性好，所用带轮直径可较小。 由于康复仪中凸轮水平往复运动时凸轮与手部之间的作用力主要为水平方向的摩 擦力，该力度不会太大，所以我们选择摩擦型带传动。在摩擦型带传动中，其类型是 根据传动带的横截面形状的不同，分为平带传动、圆带传动、V 带传动和多楔带传动， 如图 2-5。 平带传动 V 带传动 多楔带传动 啮合传动 图 2-5 带传动类型 V 带的横截面呈等腰梯形，带轮上也做成相应的轮槽。传动时，V 带只和轮槽的 两个侧面接触，即以两侧面为工作面。根据槽面摩擦的原理，在同样的张紧力下，V 带传动较平带传动能产生更大的摩擦力。这是 V 带传动性能上的最主要优点。在加上 V 带传动允许的传动比较大，结构较紧凑，以及 V 带多已标准化并且大量生产等优点， 因而 V 带传动的应用比平带传动广泛得多，故在本设计中决定采用 V 带传动。 带的张紧装置的设计，如表 3 所示。 如表 3 所示给出了几种常用的张紧装置，每种装置有其自己的实用场合，所以要 根据自己的使用条件和自己的具体情况而定用什么张紧装置。 0F F 1 F0 0 F0 2 尚未工作状态 0F F 1 F0 0 F0 2 尚未工作状态 24 表 3 带的张紧装置 定期张紧装置 采用定期改变中心距的方法来调节带的预紧力，使带重新张紧。在水平或者倾斜 不大的传动中，这种张紧装置分为两种方式，如图所示。 自动张紧装置 将装有带轮的电机安装在浮动的摆架上，利用电机的自重，使带轮随同电机绕固 定轴摆动，以保持张紧力。 采用张紧轮的装置 当中心距不能调节的时候，可以采用张紧轮将带张紧。张紧轮一般应放在松边的 内侧，使带只受单向弯曲。同时张紧轮还应尽量靠近大轮，以免过分影响带在小轮上 图图 2.17 带张紧装置带张紧装置 25 的包角。张紧轮的轮槽尺寸与带轮的
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