儿童康复按摩椅的设计【含CAD图纸、说明书】
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摘 要脑性瘫痪（简称脑瘫），是小儿时期常见的中枢神经障碍综合症，病变部位在脑、肋及四肢， 主要表现为运动障碍和姿势异常 ，且常伴有智力缺陷、癫痫、行为异常、精神障碍及视觉、听觉、语言障碍等症状。据世界卫生组织权威机构统计分析：全球脑瘫患儿超过1000万，儿童脑瘫发病率达2.7，而四肢畸形、瘫痪、痉挛是其主要症状。我国现有脑瘫患儿500多万，发病率为1.22.7，每年新增脑瘫患儿3-5万，位居世界前列。目前我国市场上主要的四肢康复仪器存在的问题有运动功能少、人工辅助成分大、且价格昂贵。本文通过对脑瘫患病机理、脑瘫病情、现有治疗手段和影响康复因素等的调查研究，提出了一套融合多种康复锻炼于一体的设备的设计方案，并对其进行了理论分析和详细的结构设计。同时运用Solidworks等软件绘制了实体，并绘制了相应工程图。通过理论计算，为生产该设备提供了较为完整的资料。通过对各重要零部件的强度和刚度进行校核，各重要零部件皆能够满足工作要求。经过试验、调试，此设备达到了设计要求，完全能够实现辅助站立训练、辅助行走训练和模拟进食训练。本文方案运用气动系统作为动力源，采用模块化设计，模拟人的各种动作，达到了康复锻炼的目的。它是集多种功能于一体，拆卸运输方便，可满足不同的患者各患病部位使用需求的一款新型医疗器械，填补了我国在脑瘫运动康复医疗器械上的空白，在医疗领域有着广阔的应用前景。关键词：脑瘫 ；康复治疗椅 ；模块化设计 ；站立 ；行走 ；进食 AbstractsCerebral 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；eating35目 录第一章绪论11.1项目背景11.2发病原因11.3临床表现21.4国内外治疗方法现状21.4.1 物理疗法21.4.2 心理疗法41.4.3 康复训练51.5国内外仪器的现状及展望5第二章脑瘫儿医疗康复椅的设计方案82.1设计构想82.2设计依据与指标82.2.1设计依据82.2.2总体设计指标82.3基本结构功能组成92.4康复椅方案设计92.4.1站立单元方案设计102.4.2辅助行走方案设计112.4.3进食训练单元方案设计122.4.4桌面单元方案设计12第三章康复椅的结构设计133.1辅助站立单元机构的设计133.2辅助行走单元机构的设计143.3辅助进食单元机构的设计143.4危险零部件的强度校核163.4.1旋转气马达短轴163.4.2销钉的校核173.4.3气缸1固定脚链螺栓的校核183.4.4底座旋转杆螺栓组的校核21第四章气压缸的设计234.1 动力源确定234.2 气压系统图234.3 气压系统参数244.4气压系统主要结构计算244.4.1气压缸的主要结构尺寸244.4.2活塞缸的直径244.4.3气压缸活塞宽度B244.4.4导向套长度C254.4.5气压缸缸筒壁厚254.4.6活塞行程25第五章康复椅的结论和创新点265.1结论265.2创新点27致谢28参考文献29第一章绪论1.1项目背景脑性瘫痪( cerebral palsy，CP) 简称脑瘫，是指自受孕开始至婴儿期非进行性脑损伤和发育缺陷所导致的综合症，主要表现为运动障碍及姿势异常，是以运动功能障碍为主的致残性疾病。由于新生儿急救医学的发展，早产儿、低出生体质量儿成活率的提高，社会、环境等因素，多年来世界范围内脑瘫发病率和患病率没有明显的下降趋势。由于病因复杂、发病机制复杂、临床表现多样、可能伴有多种并发症等，使脑瘫的预防与康复治疗成为世界性难题。图1-1小儿脑瘫症状国际卫生组织报道世界范围内脑瘫的发病率为1.2-2.7，而我国发病率为1.84.0，我国现有脑瘫患儿500-600万，且发病率呈上升趋势。据调查显示：一般6岁之前脑瘫儿的治疗需要大量费用（每年费用为10余万元）；在6岁之后的康复费用、药物支撑会相对少一些，但仍需要大量资金，脑瘫不但给患儿家庭带来沉重的生活负担，也给社会造成了极大的压力。该病的防治、康复不但涉及患儿生活质量、家庭幸福还关系到民族素质及社会和谐发展。为此，脑瘫已引起多学科的高度关注。1.2发病原因引起脑瘫的原因很多，但找不到原因者可能达1/3以上。有时一些病例也可能存在多种因素。产前因素最常见，包括遗传和染色体疾病、先天性感染、脑发育畸形或发育不良、胎儿脑缺血缺氧致脑室周围白质软化或基底节受损等。围产因素指发生在分娩开始到生后一周内的脑损伤，包括脑水肿、新生儿休克、脑内出血、败血症或中枢神经系统感染、缺血缺氧性脑病等。围产因素可能是引起早产儿脑瘫的重要原因。晚期新生儿以后的因素包括从1周至3或4岁间发生的中枢神经系统感染、脑血管病、头颅外伤、中毒等各种引起的非进行性脑损伤的病因。早产和宫内发育迟缓虽然不是脑瘫的直接原因，但它们是脑瘫的重要的高危因素。母亲宫内炎症或绒毛膜羊膜炎，作为一项潜在的危险因素已经越来越被引起重视。1.3临床表现脑瘫的症状在婴儿期表现，常以异常姿势和运动发育落后为主诉。虽然患儿的脑损害或者脑发育异常是非进展性的，随着脑损伤的修复和发育过程，其临床表现常有改变。如严重新生儿缺血缺氧性脑病，在婴儿早期常表现为肌张力低下，以后逐渐转变为肌张力增高。平衡功能障碍需婴儿发育到坐甚至站立时才能表现出来。关节挛缩和脊柱畸形等继发改变也是逐渐发展出来的。可以伴有癫痫、智力低下、感觉障碍、行为障碍等。这些伴随疾病有时也可能成为脑瘫儿童的主要残疾。临床上根据运动障碍的性质可分为痉挛型、不随意运动型、共济失调型、肌张力低下型和混合型等，并根据受累的肢体分布，分为单瘫、偏瘫、双瘫、三肢瘫和四肢瘫等类型。以下介绍常见的几种特殊的临床综合征。1.4国内外治疗方法现状脑瘫康复治疗并不能达到治愈及完全正常化的目标，但可以通过医疗、教育、职业、社会等康复手段，使脑瘫患儿在身体、心理、职业、社会等方面达到最大程度的趋于正常化。力求实现最佳功能和独立性，提高其生活质量，同其他公民一样，享有平等的权力，参与分享社会和经济发展成果。小儿脑瘫康复治疗属于康复医学范畴，因此要遵循康复医学的规律并符合儿童生长发育特点和需求，采取综合康复治疗的方法，根据每个患儿的情况而选择和制订康复治疗方案。目前国内外常用的小儿脑瘫康复治疗方法主要有以下几种:1.4.1 物理疗法物理疗法( physical therapy，PT)简称为理疗，是利用人工或自然界物理因素作用于人体，使之产生有利的反应，达到预防和治疗疾病目的的方法，是康复治疗的重要内容。1)物理因子疗法是指利用手法、光、电、声、磁等物理因子作用于人体治疗疾病的一种方法。图1-2针灸及物理因子治疗2)运动疗法是通过运动来实施的一种疗法，目的在于改善残存的运动功能，抑制不正常的姿势反射，诱导正常的运动发育，以提高患儿的日常生活能力，它们涉及整个肌肉单元。在众多运动疗法中，具体的训练内容主要有: 姿势矫正训练、肢体和躯干促通训练、基本移动动作训练、平衡及步行训练、上下楼梯训练和过障碍训练、跑步训练等。图1-3 运动治疗3) 作业疗法是应用有目的的、经过选择的作业活动，对身体、精神、发育有功能障碍或残疾以致不同程度丧失生活自理能力和职业劳动能力的患者进行训练，使其生活、学习、劳动能力得以恢复，帮助其重返社会的一种治疗方法。其包括姿势控制的发育、手功能的发育、移动、心理和情感、进食和口运动功能、自理和独立性、游戏、书写技巧、家长指导等方面。图1-4医师辅助矫正治疗1.4.2 心理疗法1) 心理治疗是指通过师生日常的接触及各种教育训练活动，减少或消除脑瘫儿童的心理障碍，调整与人的关系，恢复和形成学前脑瘫儿童正常的心态和人格。所以，在康复训练中尽可能多地提供成功的体验，及时给予表扬和鼓励，用成功的体验来帮助他们树立自信，对他们因能力而造成的失误从不批评，对他们遇到的任何困难都给予极大的关怀和帮助，教师用比父母更多的爱逐渐打开他们封闭的心灵，使他们能接纳他人，愿意与他人交往和游戏，也愿意接受教师施予的康复训练措施，也为他们融入社会群体打下了基础。图1-5 心理治理2) 引导式教育疗法引导式教育疗法( conlctive education，CE)又称Peto法，是国际公认的治疗小儿脑瘫最有效的方法之一，其显著特点是最大限度地引导调动患儿自主运动的潜力，以娱乐性和节律性意向激发患儿的兴趣及参与意识。通过引导员不断地给予科学的诱导技巧、意识供给或口令，让患儿主动地进行训练，与科学的被动训练相结合，可大大地提高康复效果；同时将运动、语言、理解、智力开发、社会交往和行为矫正等有机地结合在一起，进行全面的康复训练，使患儿在德、智、体、个性气质培养和行为塑造等方面得到全面的康复和发展。图1-6治疗师对患者辅助引导治疗1.4.3康复训练辅助器具及矫形器的应用，脑瘫儿童适时借助辅助器具和矫形器，以辅助、补救、减轻患儿的功能障碍。矫形器和各种辅助器材可以一种最小的辅助方式发挥出患儿最理想的功能潜力，包括运动功能( 坐、站、步行、上下台阶等) 和生活自理能力，也包括同样接受教育、追求合适的职业和生活自立等。辅助器具有前/后助行器、轮椅、站立架、防洒碗、可调夹持柄餐具、常用的矫形器有足托( 踝足矫形器 AFO) 等。综上所述，脑瘫是小儿神经系统的常见病之一，也是儿童肢体致残的最主要疾病之一。目前为止，国内外尚无一种治愈脑瘫的特效药，采用综合康复治疗方法是治疗脑瘫的较好方法，对于减轻脑瘫儿童运动功能障碍、缩短疗程、减轻社会和家庭负担也有着积极意义。在具体的治疗方法上，应因人、因病而异，制订出个性化的治疗方法。从先天来看，目前的医学水平避免不了脑瘫儿的出生，但是，在后天上，通过康复训练让脑瘫儿及其家庭不陷入充满无力感的绝境中却是切切实实可以做到的。目前医学界通常以手术和康复训练两种方法治疗脑瘫，但手术治疗成本高、创伤大、并发症多，存在较大风险。相比而言康复训练较为保守可靠，故而康复训练成为脑瘫儿康复治疗的最主要的手段之一。1.5国内外仪器的现状及展望自19世纪40年代，英国矫形外科学专家John Little首先研究CP，至今百余年来已经形成和发展了许多治疗体系，但临床实践证明尚无一种十分完善的体系;在国内对于小儿脑瘫主要是早发现早治疗，充分发挥祖国医学低成本高效率的优势。并且现在大多儿童福利机构已建立了一套以优化后的中医中药针灸治疗为基础综合性脑瘫治疗模式，而康复器械的发展却有些缓慢，因而设计一套多功能，全方位的脑瘫患儿康复器械显得尤为重要。目前，为有效的促进脑瘫儿的康复，国内外专家都积极的研究针对其治疗的康复训练仪器，但现今市场上现在有的康复器械运动效果较为单一且体积庞大，价格昂贵。很多康复器械设计的运动轨迹不符合人们运动时关节肢体运动的轨迹，动作过于生硬。使在康复训练过程中患儿因很难较好地适应设备，而产生较大的抵触心里，不能积极配合治疗。而且现有器械大部分自动化程度不高，人工辅助成分大，很多时候需要一个医护人员在旁边进行一对一的陪护治疗，这样极大的增加了康复治疗的成本。因此我团队针对以上问题，旨在设计一款康复医疗器械用于脑瘫患儿的康复训练，缓解家庭的压力。图1-7 国内外主要产品图1-7为国内外市场上的主要康复器材，共同的优点都是可以方便患者的日常活动：但都存在致命的缺点，你能帮助患者进行康复型训练；而且它们大多价格昂贵，操作复杂，不适合脑瘫患者在最佳康复阶段（412岁）进行自主操作。第二章脑瘫儿医疗康复椅的设计方案2.1设计构想本方案的主要设计研究的内容是研发一种能够帮助脑瘫、偏瘫患儿进行身体四肢机能康复医疗运动的器械，由于病人身体神经系统全部或部分瘫痪，身体长期不能活动而导致身体肌肉发生萎缩，其进一步恶化会使病人永久性的丧失运动能力，所以需要在其失去活动能力之前，通过医疗器械对患者身体其各需要部位进行运动训练，从而缓解患者肌肉萎缩，在一定程度上达到的康复效果；当病人身体能够轻微自理时，可以将仪器转化为病人加强康复锻炼的工具从而进行进一步的康复训练。器械采用模块化设计，能在较大程度上实现一机多用，从而降低成本，减轻脑瘫患儿家庭的生活压力。通过对吉林市各大医院、脑瘫康复医疗机构及脑瘫患儿家庭走访，相关医学资料的查阅，及对现有的各种医疗产品的调研分析，我组对各类患儿数据进行细致分析，归类整合。在结合患儿的实际需要，了解了不同患儿的基本特征和各项参数后最终我们确定了包含辅助站立，辅助行走，以及进食训练等基本康复训练运动的康复治疗器械。2.2设计依据与指标2.2.1设计依据脑瘫患儿作为特殊人群，其本身就是病痛的受害者，在遭受病痛折磨的同时，给家庭和社会都带来沉重的负担。依据现代循证医学(Evidence Based Medicine，简称 EBM)和连续被动理论(Contin-uousPassive Motion，简称 CPM)，对患者进行连续被动运动训练，有利于患儿基本运动功能的康复。设计一款能够模拟正常人运动且功能齐全具的四肢康复医疗器械，带动患儿进行四肢康复运动。这恰好符合连续被动理论康复机理。2.2.2总体设计指标面对日益增长的脑瘫患儿以及患儿所带来的日益沉重的家庭和社会压力，脑瘫患儿遭受的巨大痛苦，充分考虑患儿实际康复训练需求，结合现有产品的特点，设计的康复椅应满足以下设计指标：1) 整体尺寸适中，结构紧凑，便于移动，适合家庭使用；2) 功能齐全，模块化设计，可以根据的患儿的不同需求选择不同的模块进行组装；3) 操作简单，易于控制，具有自动化功能；4)工作稳定，传动平稳、安全可靠。2.3基本结构功能组成我们研制的脑瘫儿康复椅整体结构按照功能进行分解，由以下几个部分组成：1) 脑瘫儿康复椅框架本方案设计的整体框架为一矩形底盘和座椅组成，矩形底盘设计降低了康复椅的重心，矩形地盘设计的面积略大，以保证各个单元进行训练时脑瘫儿以及康复椅的重心始终落在底盘区域内，防止发生侧翻。座椅要为其他单元的动作实现的依托，也是站立单元过的重要组成部分。2) 辅助站立单元辅助站立单元采用气缸提供动力，通过气缸推动座椅实现站立，整个过程充分模仿人站立的过程。在此过程使患儿随着康复椅运动，对腿和腰部肌肉及膝关节，进行康复训练。3) 辅助行走单元辅助行走单元采用气马达提供动力，通过气马达带动曲柄摇杆机构模拟人行进过程，踏板部位依照患儿的个体特点可进行适当调节，在此训练过程中，患儿的腿部肌肉及髋关节得到进一步锻炼，同时脚部肌肉及踝关节也能得到康复训练。4) 辅助进食单元辅助进食单元，由两个气缸顺序运动。把正常人进食的动作进行分解，通过气缸伸缩模拟正常人吃饭时的动作，在此过程中患儿的手臂肌肉及肘关节、肩关节等部位得到锻炼。5) 桌面单元桌面单元是控制单元，也是其他单元运动的辅助部分，在坐时桌面可以向身体一侧拉伸，在站立后桌面还能台高，用于放置手臂；上面桌面设有游戏模块，同时也可摆放一些康复玩具和学习工具，增加趣味性和实用性，患儿能更加积极的配合治疗。2.4康复椅方案设计我们提出的康复椅总体设计方案如图2-2所示。它主要由辅助站立、辅助行走以及进食训练三大部分组成。由于脑瘫患儿长期无法得到锻炼，身体各部分肌肉会有不同程度的萎缩，如果强行受力会对患儿造成极大的大伤害。因此患儿的支撑受力是用柔性带把患儿胸部柔性地固定在靠背上，这种设计不仅减轻了患儿下肢的受力，而且在固定上肢的同时对上肢躯干起到矫姿塑形的作用。椅子座板用双摇杆机构实现翻折伸起，通过气缸推动摇杆，带动座椅运动，模仿人由坐到站的过程，患儿进行连续被动运动训练，从而实现对髋关节、膝关节的锻炼，在锻炼的过程中对下肢肌肉起到一定的拉伸作用。通过往复训练，实现肌肉的伸缩，唤醒肌肉的活性。在站起之后，推动站立气缸锁死，可由患儿自主地进行运动控制（脑瘫患儿手指可以自主做简单动作），行走单元进行行走康复训练。行走单元采用气马图2-2 脑瘫儿四肢康复医疗椅方案示意图达带动，可保证传动平稳性，以及特殊情况下紧急制动,气马达可以无级调速，控制压缩空气的流量，就能调节马达的输出功率和转速，从而根据患儿的需要进行速度调节。气动马达有很好的过载保护作用，不会因过载强制运动而发生故障。行走单元为曲柄摇杆机构，该机构能极大程度地模仿人的行走过程，实现对膝关节、踝关节、髋关节的康复训练。当行走完成后，控制站立单元汽缸缓慢收缩坐下。坐下后，控制进食训练单元，进食单元开启，通过两个简单连续运动来模拟人进食动作。把动作分解是考虑到患儿初期康复身体肌肉不能直接硬性进行大幅度的拉伸，难以适应复杂的训练动作，打击患儿的康复信心，该机构能够实现对肘关节、肩关节以及手臂各部分肌肉的康复训练。通过本仪器可对四肢大部分关节、肌肉进行康复训，从而改善患儿肌体，缓解痉挛，通过连续被动训练达到康复训练的目的。2.4.1站立单元方案设计站立单元采用气缸提供动力，传动平稳可靠，在靠背处设计软带和护肩固定在胸部、肩部。由坐到站的训练过程中提供一定的拉力，减小腿部受力，防止站立时扭伤造成伤害。利用上半身产生牵引力，以及座板对大腿部提供前上方向的力。整个过程充分模仿人站立的过程。由上下身的协作，增强患儿的协调性，为患儿康复后能够独立行走做准备,座椅靠背上的支撑护肩可调节其距离大小，坐时夹持患儿身体，与柔性带结合，起矫姿塑形的作用，在站立时支撑护肩可以起到支撑保护的作用，支撑护肩在反转时可做椅子把手，用于推动椅子前行；护肩还可上下调节，以适应不同年龄和身材的患儿。具体结构可参照图2-3。图2-3 辅助站立单元结构示意图2.4.2辅助行走方案设计辅助行走单元，运用曲柄摇杆机构模拟人行走过程，（具体结构可参照图2-4）以气动马达为动力源，其传动平稳可靠，行走单元采用无线遥控，可根据患儿的康复情况进行步速调节，脚的踏板部位可沿摇杆前后移动，依照患儿的个体特点可进行适当调节，以便康复训练时给患儿更加舒适体验。由于患儿长期不能站立行走，脚部常常出现轻微的畸形，在站立时不能全脚掌着地，初期康复训练时如果强行固定，会对患儿造成一定的伤害，更甚者会使患儿扭伤。因此我们对踏板进行了特殊设计。踏板采用四个弹簧和一个球幅组成的自平衡机构和一个小腿护具组成。在进行行走训练时自平衡机构能够自主进行位置矫正，小腿护具能对患儿行走的姿态进行矫正。康复训练与姿态矫正同步协作，达到更好的康复效果。图2-4 辅助行走单元结构示意图 图2-5可调节踏板结构示意图 2.4.3进食训练单元方案设计图2-6 辅助进食单元结构图患儿身体长期处于半瘫痪状态，患儿的肌体功能减退，生活很难自理，因此上肢的恢复训练尤为重要。本方案设计的进食训练单元可辅助患儿上肢运动，模拟正常人吃饭时的动作把正常人进食的动作进行分解，先有气缸伸缩实现小臂的水平运动，然后护具尾端向下运动使小臂前端向上升起（结构如图2-7所示）。将动作分解进行训练不仅简化了机构，另一方面能够对更好的锻炼各部分关节。首先小手臂护具带动手臂平动，很好地活动了肘关节。由于患儿胸部固定，在平动过程中，肩膀会随着小臂的带动而小幅度的扭转，上臂也伴随着运动，因此上臂的肌肉也能得到康复训练。在小臂抬升的过程中，小臂随着护具运动，肘部向下运动带动上臂、肩部。实现对上臂的康复训练。腕部被抬起，肘关节以及上臂肌肉进行二次康复训练。2.4.4桌面单元方案设计桌面单元为可上下前后移动设计，这种设计能很好的满足患儿在坐或站时对桌面的需求，桌面上外加控制面板，由患儿遥控实现可对整个器械进行控制，并将相应数据显示在面板上。如控制站立、坐下、行走时的步速等。同时还设有游戏模块，患儿可进行简单的益智游戏，增加了趣味性。患儿也能够更加积极的配合治疗。在患儿进食时可以当作桌子使用。患儿可以直接在康复椅上进食。减少了患儿的固定次数。避免因固定次数过多引起患儿的抵触情绪。第三章康复椅的结构设计3.1辅助站立单元机构的设计本方案的辅助站立单元的设计充分考虑到脑瘫儿四肢变形、不随意动的特点，给靠背加上护肩和护带，在站立过程中起到提升和固定的作用，使得站立运动更加平稳，安全可靠。图3-1 辅助站立结构原理图辅助站立机构采用平行四杆机构的设计，通过平行四边形杆机构来完成坐椅的翻转和患儿的直立动作。(具体轨迹请参考图3-1)我们利用平行四边形机构两对边平行的原理将一边进行竖直固定，通过气缸的推动，带动座椅的翻转，将靠背进行竖直提升，在靠背上升的过程中通过护肩和护带对患儿进行竖直提升，进而达到对患儿进行辅助站立的目的，其结构原理图如图所示。在坐立时，气缸起到支撑椅子的作用，我们气缸选用的行程为200mm，最大提够推力为1000N，而37岁的小孩体重大概在1025Kg左右所以由受力分析可知气缸强度可靠。护肩起到支撑患者身体的作用，最大可承受60kg的重量，本单元通过护肩支撑患者身体，来减少臀部和腰部受力，防止患者因长时间坐立受压而引起的胯部、脊椎的变形。在站立过程中，通过两个气缸推动双四杆机构到达极限外置时，坐垫和靠背的夹角是15度，能够满足站立患者进行站立。在站立过程中，气缸推动的速度是1.5cm/s,坐垫中心旋转角速度大小为0.08rad/s，求得护肩以最大为1.1cm/s的上升速度带动人体站立。在站立时，患儿主要受到护肩、护带的支撑力和拉力作用。这样既可减轻腿部受压，还可以利用重力对脊椎有一定的拉伸，起到恢复治疗效果。3.2辅助行走单元机构的设计本方案的辅助行走单元主要是通过不断模仿人的行走过程，训练患儿的腿部肌肉，以减轻其痉挛症状，并且通过控制气马达转速与启闭，使患儿适应踏步训练，最后达到患儿自主行走的目的。他的主要设计机构为曲柄摇杆机构，我们通过设计该机构各杆的尺寸来最大程度上模拟人行走的过程。(具体结构图请参考图3-2)其中AB杆长130mm,BC杆长640mm，CD杆长300mm。我们通过气马达带动曲柄AB进而模拟人行进，、连杆上踏板的轨迹如图中P点的轨迹所示，由图像我们可以看出其运动轨迹与正常人的步行轨迹基本相似，辅助行走单元的原理图如图3-2所示。图3-2 辅助行走单元原理图本机构的踏板部位（图示P点）可通过调节开关在连杆上前后移动来适应不同体形的患儿，并且可通过调节球副和调节弹簧组成的自平衡机构来帮助患儿更好的适应行走锻炼，避免强行固定所带来的伤害。设计的基本参数：1) 每步的行程：160mm2) 每步的高度差：3040mm3) 每分钟行走步数：30-50步/分3.3辅助进食单元机构的设计练习进食单元是通过两个气缸的运动，进而实现手部摇摆及弯曲功能的运动单元。这个动作是模仿吃饭的过程，简单的说是实现空间内两点之间的移动过程，通过模拟人的吃饭过程，进而达到手部移动训练的目的。通过进行有针对性的动作训练，增加康复效率，避免患者对无目的性训练的厌恶与麻木，增强患者的自我康复意识，从而达到更佳的康复效果。图3-3 辅助进食单元结构原理图练习进食单元的原理图如图所示，通过一个在XOY平面内运动的气缸带动与之相连的杆机构，实现手的摇摆过程。摆臂气缸伸缩，带动杆AC绕A点转动，通过杆AC限制杆CE在X方向和Y方向上的自由度，从而实现点E与点C之间的同步运动。通过一个在Z轴方向上伸缩的气缸牵动X点绕F点转动，实现手的弯曲过程。在实现弯曲的这个过程中，CE之间的距离会增加，FN之间也会变长，因此在这两个地方需要一定的补偿功能。我们通过在杆CE上设置一个在Z轴方向上的局部自由度，运用大管与小管之间的嵌套，使CE在保持始终垂直于平面XOY的前提下，能在机构所需范围内在Z轴上下伸缩，进而实现补偿。在FN之间的补偿上，我们将杆3与杆4之间的距离尽量靠近，从而确保FN有一个尽量小的变化量，再通过杆3上面的空间转动副实现小幅度的转动，进一步补偿FN之间的伸缩量，对于之前两步没法补偿的余量，我们通过加大N点上滑道的宽度，确保在机构运动范围内不发生干涉，从而实现整个弯曲过程。练习进食单元是一个较为复杂的运动单元，它涉及到比较复杂的传动系统，而且有两个与患儿紧靠着的动力原件，因此在它的安全上，设计过程中我们给予了着重的考虑。首先在过载保护上，该部分采用气压安全阀进行保护。除气压保护之外该部分还加有机械锁死机构作为备用保护装置，操作部位设在脑袋后面，当紧急情况下，脑袋稍敲击靠背，即可直接锁死主气源的管道口，进而切断动力供应。整个运动部分全用软袋包裹，避免患儿误操作造成的人体损伤。手的运动部位能较客观地体现器械人性化考虑程度，我们在设计该部分时充分考虑儿童的心理，将护腕做得尽量使患儿搞到舒适，避开普通医疗器械直接将患儿手部固定的娇姿方式的生硬死板，让患儿手部自然放置在底部较为宽大的放手部位，然后在上面用软带封口，而无需将其直接作用于患儿手臂，从而给人一种安全自然的感觉。3.4危险零部件的强度校核在康复椅的正常工作中，连接头、连杆、销钉等在动力传动中起极为重要的作用。如果设计不当，零件因载荷过大，可能产生零件变形，甚至断裂，影响设备的正常运转。因此对这些零件的刚度和强度有一定的要求。设计后，需要对其进行校核。3.4.1旋转气马达短轴1) 剪切强度校核：剪切应力：图3.4.1-1 旋转气马达短轴受力分析剪切面积： （3.1）轴的工作应力： （3.2）45号钢的剪切极限强度，安全系数选用,则许用应力，符合强度条件，所以销轴的剪切强度是足够的。2) 挤压强度校核：挤压应力：F=900N挤压面的面积： （3.3）工作挤压应力：（3.4）由塑性材料许用剪切应力，许用挤压应力与许用拉应力之间的关系； （3.5）得出所以也满足挤压强度条件，所以销轴满足连接的剪切强度与挤压强度。3.4.2销钉的校核1）助立单元气缸铰支座连接大销钉的校核辅助站立过程中气缸是绕着与之连接的销钉做旋转运动的，此处销钉承受了极大的力，当受力过大时，可将销钉剪断，因此此处应进行剪切强度的校核。销钉的材料选用45#调质，其受力情况如图3.4.3-1。图3.4.2-1 大销钉的受力图由机械结构知销在座椅由水平站起时的受力最大，并且知此时气缸推力方向与水平夹角为，由此知销此时受力大小为。 （3.6）1) 剪切强度校核受力分析如图所示由研究对象的受力平衡知，大销钉剪切面的剪力为 （3.7）剪切面面积为 （3.8）大销钉的工作切应力为 （3.9）45号钢的剪切极限强度，安全系数选用,则许用应力，符合强度条件，所以大销钉的剪切强度是足够的。2) 挤压强度校核大销钉的挤压面是圆柱面，用通过圆柱直径的平面面积作为挤压面的计算面积。挤压面的挤压力为挤压面的面积为 （3.10）挤压应力为 （3.11）由塑性材料许用剪切应力，许用挤压应力与许用拉应力之间的关系；。得出所以也满足挤压强度条件，所以大销钉满足连接的剪切强度与挤压强度。3）辅助进食单元气缸铰支座连接小销钉的校核图3.4.2-2 小销钉受力图由于销钉受力较大，且截面积很小，容易被剪断，因此材料的强度要求较高，通过查阅资料选用40Cr调质。销钉受力情况如图3.4.3-2 所示，销钉受到大小相等方向相反的分布力作用。由于液压缸的最大推力为0.1kN,所以有： （3.12）因此剪切强度符合。3.4.3气缸1固定脚链螺栓的校核图3.4.3-1脚链受力图1）.螺栓组结构设计螺栓组连接结构如图所示，螺栓数Z=4，对称布置；2）螺栓受力分析（1）螺栓组受力如图3.4.3-1所示，在总载荷F的作用下，螺栓组连接承受一下各力和倾覆力矩的作用：轴向力（F的水平分力，作用于螺栓组中心，水平向左）（3.13）横向力（F的垂直分力，作用于接合面，垂直向下） （3.14）倾覆力矩（逆时针方向） （3.15）（2）在轴向力的作用下，各螺栓所受额工作拉力为 （3.16）（3）在倾覆力矩M的作用下，右面两个螺栓受到加载作用，左面两个螺栓受到减载作用，故右面的螺栓受力较大，所受载荷为 （3.17） 故右面的螺栓所受的轴向工作载荷为 （3.18）（4）在轴向力的作用下，地板连接接合面不产生滑移的，根据底板接合不滑移条件 （3.19）查阅机械设计手册得接合面的摩擦系数，并取，则，取防滑系数，则各螺栓所受的预紧力为 （3.20）（5）右面每个螺栓所受的总拉力 （3.21）3）螺栓直径的确定选择螺栓材料为Q235、性能等级为4.6的螺栓，由机械设计手册得材料的屈服极限，安全系数S=1.5，故螺栓材料的许用应力。则螺栓危险截面的直径（螺纹小径）为 （3.22）按粗牙普通螺纹标准（GB/T196-2003），选用螺纹公称直径（螺纹小径）。4）校核螺纹组连接接合面的工作能力（1）连接接合面左端的挤压应力不超过需用值，以防止接合面压碎。由（3.23）由机械设计手册得 （3.24）（2）连接接合面右端应保持一定的残余应力，以防止托架受力时结合面间产生间隙，即，由 （3.25）故接合面右端受压最小处不会产生间隙。5）校核螺栓所需预紧力是否合适对碳素钢罗顺，要求已知，取预紧力下限即要求的预紧力，小于上值，故满足要求。3.4.4底座旋转杆螺栓组的校核图3.4.4-1 螺栓组受力分析结构如图3.4.4-1所示由几何关系知：螺栓只受横向应力（即垂直方向应力）现只校核上面螺栓的结构强度来确定算选螺栓规格。1）螺栓组结构采用如图所示的结构，螺栓数Z=2，采用对称布置。2)螺栓受力分析在总载荷的作用下，螺栓组连接件承受的只有横向应力；横向应力: （3.26）连接结合可能产生滑移，由不滑移条件： （3.27）查阅机械设计手册得结合免得摩擦系数，并取则，取防滑系数则各螺栓所需的预紧力为 （3.28）上面个螺栓所受的总拉力 （3.29）3)确定螺栓直径选择螺栓材料为Q235，性能等级为4.6的螺栓，由机械设计手册得材料的屈服极限，安全系数S=1.5，故螺栓材料的许用应力则螺栓危险截面的直径（螺纹小径）为（3.30）按粗牙普通螺纹标准（GB/T196-2003），选用螺纹公称直径 d=8mm，（螺纹小径）。4）校核螺栓所需的预紧力是否合适对碳素钢螺栓，要求已知，取预紧力下限即要求的预紧力，小于上值，故满足要求。第四章气压缸的设计4.1 动力源确定通过计算，整个系统需要的最大力为0.8KN，对于人力以及一些普通的输力工具来说很难提供如此大的力，考虑到治疗过程中的复杂性以及患儿的安全性，不易于电动马达这一类纯刚性的机械传动，为了能为患者提供更好的安全保障和足够的动力输出，本项目主要采用气压传动，运用医疗上静音气泵提供气源，为各个部位的运动提供动力。气压装置具有以下优势：1）气压装置工作平稳，以空气为介质，能耗小，传动平稳；2）缓冲性能是其它传动方式无法比拟的；3）能够在运行的过程中实现大范围内无级调速的调节；4）能非常方便、简单、可靠地实现过载保护功能；5）气压传动实现往复直线运动简单。4.2 气压系统图1-油雾器 2、9-直动式减压阀 3-分水滤气器 4、11-压力表 5-气罐 6、15、18、19-单向阀 7-电机 8-定量气泵 10-二位二通电磁换向阀 12-节流阀 13-气马达 14、25-二位五通电磁换向阀 16、20、23、24-气缸 17、21-滑柱式行程阀 22-节流调速阀图4-1 气压系统原理图为实现整个训练过程的所有动作，我们采用图4-1所示的气压系统图，整个气压系统通过单片机控制电磁换向阀来实现气压缸的直线往复运动及气动马达的旋转运动。4.3 气压系统参数根据需要完成的工作要求，确定气压缸的参数。气压缸行程：400mm气压缸工作压力：0.5Mpa气压杆最大回程速度：0.1m/s4.4气压系统主要结构计算4.4.1气压缸的主要结构尺寸我们选定的工作参数为：工作压力0.5MPa和最大负载0.8KN,缸筒及活塞杆选用45#钢，根据公式3-1计算气压缸内径。（4-1）选回油压力=0，此时（4-2）考虑到油缸自身摩擦力等因素，缸径需放大到理论的1.2倍左右，D=17.50mm，查气压设计手册按GB/T23481993（mm）选用D=20mm的气压缸。根据机械设计手册缸的外径为29mm。4.4.2活塞缸的直径活塞杆选用的材料是45#钢:查气压设计手册按GB/T23481993（mm）选用d=15mm。活塞缸直径校核： (4-3)满足设计要求。4.4.3气压缸活塞宽度B，所以，取B=0.7D=12.25mm4.4.4导向套长度C，所以，取C=1.0 d=12.25mm4.4.5气压缸缸筒壁厚气压缸采用的材料为45号钢根据壁厚的计算公式：可以求得，故取4.4.6活塞行程根据整个设备的工作状况，气压缸的行程为376mm,根据气压设计手册活塞行程标准中，选用的行程为400mm。根据以上计算最终确定的气压缸结构如图4-2所示。图4-2气压缸结构第五章康复椅的结论和创新点5.1结论不知不觉间两个多月过去了，而我也即将毕业融入社会。这两个月是我提升最高的两个月。有人说“十年磨一剑，今日试锋刀”我不禁在想我这把刀是否够锋利？因为在做整个毕业设计的过程中我深刻认识到自己的诸多不足。通过这次毕业设计使我看到了自身专业知识的匮乏，无论是理论还是加工工艺自己要学习的东西还有很多。更为重要的是我明白了一个道理，那就是理论和实际不能脱节，否则自己的设计不会完美。在以后的学习工作中我会更加注重理论知识的学习掌握。本文对脑瘫儿童康复按摩椅的结构设计进行了详细的剖析与设计。收集现有文献对现阶段脑瘫儿童康复器械的性能、疗效、性价比等方面进行详细的了解与分析，设计了一台具备辅助站立、辅助行走以及辅助进食机构的脑瘫儿童康复按摩椅。我感触颇深的就是对自己的现阶段所学的知识的评价。我大学四年到底学会了多少有关专业知识？在设计过程中我越来越认识到我越去深究一个问题就发现自己知识的苍白，尤以理论知识为甚。在老师的指导下学会了很多以前没学过的东西，在了解他们的同时我也更了解到自己的无知。有位哲人说过：“我越学习越觉得自己越无知”。我想我现在就是这种心境。通过近2个月的努力，以及实验室同学的支持及协助，我们成功设计出来了“脑瘫儿四肢医疗康复椅”。通过背景分析和现有产品对照，我们提出了集辅助站立、行走、进食多功能于一体的设计方案。对康复椅的气动系统，单元模块规划，动作执行方式，动作运行轨迹进行了合理的设计，对相关零部件进行了理论计算。同时，应用了现代设计方法和理论，利用设计软件，建立了康复椅的数字化设计，对康复椅各零部件的空间布置进行了干涉检查和优化，完成了康复椅的结构设计工作。最后，设计了脑瘫儿童康复按摩椅第一代样机，并对康复椅的关键运动进行了试验。通过试验证明：该康复椅具有功能多、性能稳定、实用性强的突出优势，并且我团队正在设计第二代康复椅，主要针对市残联人士推荐的脑瘫儿自愿者，针对他们的病情和实际需要，更好的对本方案进行完善，我们相信经过进一步的产品化改进设计，本产品将具有很好的市场推广前景。通过康复椅在模拟环境下的运行，总体性能指标：1）康复椅总重量为10kg，总体尺寸1280x680x1000mm；2）适应儿童岁，体重kg，身高cm；2）康复椅的辅助行走机构30-50步/分，辅助站立机构最大推力1000N；3）各单元可以实现模块化的拆卸和组合；4）通过48V铅酸蓄电池的电力供应可以实现气动运动功能，并且可持续供电16小时。5.2创新点我们所研究的脑瘫四肢康复医疗椅的宗旨是利用简单的机械结构辅助脑瘫患者进行康复训练，尽最大限度改善他们的生活，以减轻家庭和社会的负担。在作品设计制作过程中，我们的创新点主要集中在以下几点：1) 功能多集成化。我们的产品采用模块化设计，集辅助站立训练、辅助行走训练和模拟进食训练于一体，可根据不同的患者采用相应的措施。2) 动力稳定无污染。产品设计采用气动系统，传动稳定，安全可靠且无污染。3) 人性化设计。采用被动训练，训练过程更人性化，尽量消除对患儿造成心理障碍，避开普通康复器械的生硬死板，使患儿有个良好的治疗心理状态。致谢首先向我的指导教师张玉峰老师及所有帮助和鼓励我的同学们致谢。没有你们的帮助我的设计不会如此顺利完成。你们每一次的帮助与鼓励对我来说都是莫大的鼓舞。在我遇到困难的时候，是你们帮助我启发我。没有你们，我所遇到的那些难题不会被轻易解决，更不用说从容应对。以前只做过课程设计，但同这次设计相比无论是对知识的运用的深度和广度都是无法相比的。但课程设计教给了我一种设计理念，即反复验证。同样也适用毕业设计。在设计过程中遇到很多难题，在此感谢张玉峰老师，是他孜孜不倦的为
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