上下肢康复运动训练系统

2019·7（下）《科技传播》142作者简介：张皓洋，南京外国语学校。

基于Arduino的下肢康复训练系统张皓洋摘 要 本研究开发了一种基于模拟直立行走的下肢康复训练控制系统，该系统包括下肢康复训练机构设计、电机控制电路及控制软件等。

下肢康复训练系统采用3个步进电机为训练设备的下肢运动机构提供动力，选用Arduino 板为控制核心，使用WPF 设计上位机用户端，实现了下肢的同步训练和交替训练。

本实验结果表明，该控制系统具有良好的稳定性，满足了下肢康复训练的需求。

关键词 下肢康复；控制系统；Arduino ；WPF中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）239-0142-03随着现在社会的不断发展进步和人们生活水平的提高，人口老龄化的问题日趋严峻，由脑卒死等导致的神经损伤引发下肢功能出现障碍，或由于车祸、工伤等下肢意外受伤的患者，其下肢康复是个漫长的过程。

而传统的康复治疗手段大多采用医生手工辅助完成，大大增加了康复过程的成本且效率低下，也会影响患者的身心健康。

目前市面上的下肢康复训练装置功能不全，大多只能模拟下肢的两个自由度运动[1]。

本次设计的下肢康复装置具有3个方向的自由度，更贴近于人体正常行走时的状态。

该系统克服了现有下肢康复训练设备的缺点，既可以实现双腿的张合训练，也实现了双腿各自张合和旋转运动的独立性[2]。

1 功能及性能指标本文研发的下肢康复训练系统主要功能如下：在训练时，患者将脚部放置在脚踏板上，本系统设置三个步进电机，两个对称放置的电机分别控制双腿的旋转，另外一个电机用于控制双腿的分合，实现三个自由度的运动训练。

根据使用者的训练要求，可在上位机界面上操纵装置的运动，满足了不同患者的运动习惯，同时也设置了不同的康复训练游戏模式，提高了患者的恢复速度。

具体实现功能如下：1）运动训练由三个电机提供动力，彼此之间实现独立驱动。

训练模式包括上下前后拟合成的旋转运动和左右直线的运动。

骨科康复常用设备配置骨科康复涉及肌肉、骨骼、关节、肌腱、韧带和关节软骨等运动系统的损伤导致的肢体运动功能障碍。

这包括人工关节置换术、四肢创伤骨折术后、前交叉韧带重建术围手术期、肩袖损伤修复的围手术期康复，踝关节骨折、踝关节骨性关节炎、跟腱断裂、足外翻、扁平足，以及跟腱断裂缝合术后等。

康复过程中，肌力恢复是重要的一步。

为了帮助患者恢复肌力，可以使用平衡评定及训练系统、运动功能障碍评定训练仪、肌电诱发电位头盒、肢体智能康复工作站、四肢协调主被动训练系统、下肢肌力训练系统、上肢肌力训练系统、髋关节运动训练系统、上肢康复训练组合系统、肢体康复训练设备、上下肢交叉运动训练器、肢体康复器、腕关节旋转训练器、液压式踏步器、肌力训练弹力带、组合软垫、牵引网架、背部矫正运动器和系列沙袋等设备。

步态平衡功能障碍也是需要重点关注的问题。

为此，可以使用平衡评定及训练系统、下肢智能反馈训练系统、三维步态与运动分析系统、步态助行训练系统、减重步态训练系统和四肢协调主被动训练系统等设备。

对于骨折延迟愈合的问题，可以使用脉冲磁治疗仪、体外冲击波治疗仪、超声波治疗仪和立体动态干涉波治疗系统等设备。

在处理疼痛肢体肿胀时，可以使用自动脉冲冷敷系统、冷热治疗仪、电脑中频治疗仪、中频电疗仪、微波治疗机、熏蒸治疗机、中药熏蒸机、空气压力波治疗系统、脉冲磁治疗仪、电脑疼痛治疗仪和全自动智能蜡疗系统等设备。

关节活动范围受限也是需要注意的问题。

为了解决这个问题，可以使用多功能筋膜治疗床、多功能牵引床、四肢协调主被动训练系统、下肢肌力训练系统、上肢肌力训练系统、髋关节运动训练系统、上肢康复训练组合系统、肢体康复训练设备、肢体智能康复工作站、关节锻炼运动器（肩、肘）、踝关节锻炼运动器、手指（腕）关节锻炼运动器、膝（髋）关节锻炼运动器、肢体康复器、踝关节背屈活动训练器（液压式）、液压式踏步器、踏步训练器、组合软垫、牵引网架（网架和床）、多功能关节活动测量表、系列沙袋（绑式）和楔形垫（软）等设备。

2.性能指标2.1外观与结构2.1.1可触及的表面不应有毛刺、尖角、锐边和可能对使用者造成伤害或者损坏衣物的缺陷。

2.1.2焊接件表面均匀平整，不应有漏焊、虚焊、焊瘤、夹渣、裂缝、烧穿、飞溅物等缺陷。

2.1.3镀（涂）层表面应色泽均匀、光滑平整，不应有擦伤、烧痕、裂纹、针孔、麻点、斑点、毛刺、鼓包剥落等缺陷。

2.1.4产品在使用过程中，不应存在训练位与训练位之间或同一训练位之间的器械干涉，运动范围干涉、人体干涉等现象。

2.1.5在训练位正常训练状态下，使用者可触及的区域内不应存在被剪切、卷入、挤压或碰撞等现象。

2.1.6产品上所有重块移动范围不应出现无法控制的偏摆现象。

2.2训练模式具有上肢水平训练、上肢垂直交叉训练、上肢垂直平行训练和下肢训练 4 种训练功能，且 4 种训练功能均具备被动训练、主动训练和主被动训练 3 种训练模式。

2.3被动模式2.3.1软件功能设备提供转动方向的定时自动切换和手动切换措施，不提供改变最大输出扭矩的措施。

2.3.2转数范围上下肢转速 5～60rpm，步进可调，步距 1rpm，空载转速误差应不大于±30% 或±3rpm，二者取大值。

设备的转速监测值误差应不大于±10%或±2rpm，二者取大值。

2.3.3转速变化率在被动训练时，转速变化率小于0.5r/s2。

2.4主动模式2.4.1阻力范围上下肢阻力设定范围为 0～20 档位，分 20 档位设定，设备提供阻力档位的相对显示。

2.4.2转速监测值设备提供转速监测值显示，其误差应不大于±10%或±2rpm，二者取大值。

2.4.3产品提供限制最大转速的措施。

2.5操作控制1）设备可根据患者运动状态自动切换主动模式和被动模式，自动切换前提供至少 2s 的切换提示，不提供定时自动切换的功能；2）主动模式和被动模式的指示在整个训练过程中连续显示；3）训练开始时默认为被动模式；4）训练启动前设定转速时,操作者必须做出附加的确认动作,才能将转速设定至 30r/min 或以上；5）上肢训练转速预置值应不大于 10r/min，下肢训练转速预置值应不大于15r/min；6）产品界面提供转动方向、转速、阻力、训练时间、肌力对称性信息，以图示方式显示；7）患者扶手和/或训练手柄的握持部分不提供带有可改变训练模式和运行参数（如转动方向、转速、阻力、痉挛等级、训练时间、换向时间﹑输出扭矩等）的控制装置；8）运行参数的设置值不提供仅通过一个动作就从最小变为最大；9）设备提供手动急停保护装置；10）设备不提供自动控制转速的被动模式；11）设备不提供有线连接的手持式控制器。

1性能指标1.1外观下肢运动康复训练设备外壳表面应光滑，所有表面不得有细孔、裂纹和毛刺，易清洁和消毒。

1.2工作时间下肢运动康复训练设备充满电后工作时间应>120分钟。

1.3开机指示下肢运动康复训练设备应具有开机指示，开机时电源开关应发出蓝光。

1.4工作模式下肢运动康复训练设备应具有以下模式：1.4.1普通模式。

下肢运动康复训练设备选择普通模式后，开关上的LED不亮灯；双腿对应触发模式，即为那支腿动作则触发产品对应的腿臂给出作用力。

1.4.2左触发模式。

下肢运动康复训练设备选择左触发模式后，开关上的LED亮绿灯；当触发左腿时，右腿应产生向上抬腿的力。

1.4.3右触发模式。

下肢运动康复训练设备选择右触发模式后，开关上的LED亮蓝灯；当触发右腿时，左腿应产生向上抬腿的力。

1.5力量选择1.6最大运行角度保护下肢运动康复训练设备最大运行角度≤90度。

1.7触发角度下肢运动康复训练设备触发角度的相对角度 10±5度。

1.8低电量提示下肢运动康复训练设备应具有低电量提示功能。

1.9APP功能1.9.1下肢运动康复训练设备应能通过蓝牙连接安卓系统APP终端。

1.9.2工作模式切换。

点击“切换”按键，APP应能切换工作模式。

1.9.3力量选择。

点击“力量档位”按键，APP应能切换力量选择档位。

1.9.4网络安全要求1.9.4.1数据接口APP软件通过蓝牙与主机进行双向数据传输和实时远程控制，传输协议为蓝牙4.0。

1.9.4.2用户访问控制控制型软件需登录密码作为用户身份鉴别。

软件具有用户访问控制机制，包括用户身份鉴别方法（用户名、口令）、用户权限（可对属于该用户的使用者进行注册登记，添加或删除使用者信息、保存删除使用者设置的权限）。

1.10环境试验按GB/T 14710-2009中气候环境试验II组，机械环境试验II组的要求。

运输试验、电源电压适应能力试验应分别符合GB/T 14710-2009中第4章、第5章的要求。

上、下肢康复训练评估系统招标技术参数及要求数量：一套（含上下肢）；预算：90万元一．上肢智能训练评估系统技术要求：*1.通过力反馈技术进行上肢运动功能训练。

包括等速训练，助力训练，主动训练，抗阻训练等。

*2.标配上肢康复分析功能。

包含上肢肌力、关节活动范围分析等多种分析功能。

*3.力反馈传感器精度≤0.1公斤, 范围0-10公斤，反馈数值可以实时显示，助力大小和阻力大小均可电脑调节。

4.双电机独立驱动，运动速度0-35cm/s，控制精度≤1mm，连续可调。

5.运动范围570mm*400mm（参考数值），连续可调。

6.设备高度电动连续可调，高度调节范围为670mm到1070mm（参考数值），连续可调。

7.标配移动式台车，一体式操作显示终端，实时显示三维场景。

8.标配示教模式，可以自由带动机械臂进行轨迹记录和回放训练9.控制方式：结合全伺服电机控制和电脑控制，训练时间、运动范围，运动速度均可电脑调节。

10.安全检测：提供痉挛灵敏度检测，发生痉挛能停止运动。

11.标配虚拟现实功能：包含不同场景，用户身临其境。

12.标配数据库管理，提供查询，新增，删除，修改等功能13.标配报告功能，能够一键自动生成训练报告，能够比较查看不同时间的情况记录功能：记录每一次训练的表现14.软件预留多种接口，例如EMG信号，EEG信号接口，扩展设备功能15.联网状况下，可以实现网络数据库发布，方便多中心合作*16.质保要求：整机质保两年。

二．下肢智能反馈训练系统技术要求技术参数及特点：1.操作平台：标配搭载windows xp系统的便携式双核笔记本电脑。

2.床体：采用抗菌耐磨高弹力皮革，具备高阻燃性、抗菌、耐温、防划、床体弹力好、舒适等功能；3.床体控制装置：3个原装进口直线电机（提供证明材料）；床体升降高度范围：52~86 cm；床体站立角度范围：0~80 °；床体后仰角度范围：0~10°；4.配备减重吊带，使训练保持在减重状态下进行；*5.步行训练方式：仿真人体步行曲线函数，包含初速度、加速度、减速度过程；6.训练驱动装置：2个原装进口伺服马达；踏步角度范围：0~25 °；踏步速度范围：1~80 Step/Min；7.训练模式：主、被动训练模式*8.多功能脚踏板：根据身高调节适应病人内、外翻足型，调整踝关节角度，矫正患者步态。

基于虚拟现实的下肢主动康复训练系统LI Wenxiao;GUO Bingjing;HAN Jianhan;LI Xiangpan;MAO Yongfei【摘要】针对传统下肢康复训练中病人参与度低、主动运动意图逐渐丧失的问题,设计一种基于虚拟现实的下肢主动康复训练系统.该系统采用惯性检测单元(IMU)获取并解算下肢关节活动度,作为虚拟场景中的运动控制信号,并建立无线蓝牙通信机制,把患者下肢运动与运动功能康复训练游戏结合在一起.基于鞋内置多点足底力传感器(FSR)获取患肢足底力参数,识别步态相周期,作为康复评估的数据基础.实验验证了康复数据获取的准确性、交互通信的实时性与康复场景运行的流畅性.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2019(042)004【总页数】5页(P61-64,70)【关键词】虚拟现实;主动康复;下肢康复训练;传感系统;活动度;足底力【作者】LI Wenxiao;GUO Bingjing;HAN Jianhan;LI Xiangpan;MAO Yongfei 【作者单位】;;;;【正文语种】中文【中图分类】TN915.5-34;TP274随着社会老龄化的加剧，由脑卒中等导致的神经损伤引起的下肢功能障碍者逐年增加[1]，严重影响患者的生活质量，给社会和家庭带来了沉重的负担。

传统的康复治疗多采用医师手工辅助完成，效率低、康复过程枯燥，已不能满足患者的需求[2]。

根据大脑神经可塑性理论、镜像神经元理论和运动康复理论，丰富的训练环境可以促进康复的进程[3]，也可以有效地提高患者的训练兴趣和积极性，从而提高康复效率。

如德国柏林弗朗霍费尔研究所研制Haptic Walker机器人系统和加拿大蒙特利尔McGill大学研究的多自由度反馈的下肢训练器；当前的下肢康复训练设备多为在医疗机构中使用，价格昂贵[4]，同时也需要医护人员的协助，缺乏可供患者使用的家庭便携式智能康复训练设备，不利于患者的自主训练。