医疗康复机械设计（共4篇）
医疗康复机械设计 篇1
0 引言
随着医疗器械的高度发展和在医学临床中的作用日益显著,国外医疗器械的产值已接近药业;随着经济增长、科技进步、人民物质生活改善,卫生健康事业迅速发展,人们对医疗保健的需求大大提高,采用物理方法的医疗保健技术受到格外重视;“入世“给中国医疗器械产业带来“挑战“的同时也带来了空前的机遇,使我们从此可完全靠自己的力量,平等的参与世界经济竞争。总之,医疗器械产业已经作为一个新的经济增长点展现在我们的面前。
1 研究内容
本论文的主要研究方向是帮助脑瘫,偏瘫等身体不能自理病人进行身体机能康复医疗运动。由于病人在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,从而使病人永久性失去运动能力。所以需要在其失去活动能力时,通过医疗器械使其肢体或者身体各其他部分发生运动而避免发生肌肉萎缩;当病人身体能够轻微自理时,可以将此器械转化为病人加强锻炼进一步康复的工具。本机构包括几个构成部分,脊椎康复运动部分,上肢多自由度运动部分,站立式髋骨康复运动部分。本实用新型公开了一种脊柱康复保健床,它由床架、座板、座箱、支撑座、轴杆、套筒管、倒钩架、绑带、把手、微动开关、手动或自动升降装置等部件组成,根据人体上重下轻特点,利用身体自身重量,采取固定踝关节后头低足高式进行牵引,达到医治脊柱疾病目的。它具有操作简便,病人无痛苦易接受,不会造成负损伤,治疗安全可靠、疗效高等优点,还具有结构简单,一床多用,成本低廉,便于家庭普及推广应用等特点,是一种理想牵引医疗器械。
2 方案设计
2.1 医疗床各部分运动结构分析
对病人的脊椎进行康复式运动治疗如图1:通过电动机的驱动,使得轮盘运动从而让第一部分可以上下往复运动,可以达到锻炼病人脊椎的结果。
对病人髋骨及腿部,脚部分的康复治疗:可以通过电机(气压,液压等)驱动千斤顶是床身部分直立,病人可以通过床沿绷带直立,手扶支撑杆。然后下面一部分的髋骨运动机构运动。该运动是由小型步进电动机驱动使得圆盘成一定角度旋转,往复运动。从而使病人的要不与髋部得到锻炼,有助于病人的康复,如图2所示。
在该康复医疗装置中共分为三个主体部分:脊椎康复部分,液压动力系统,足部以及腰部康复运动装置。
布局方案的设计:整个构架以床为基本骨架,床板共分为三部分,每部分连接以旋转轴为核心,中间板块用一个轴连接基本构架,后面一块板安装腰部康复系统。在下面安放一块板并加上电机安装台以及液压系统固定装置,置放在床的前半部分。
2.2 医疗床传动方案设计
合理的传动方案首先应满足机器的工作要求,如所传递的功率及要求的转速。此外,还应保证机器的工作性能和可靠性,具有高的传动效率、工艺性好、结构简单、成本低廉、结构紧凑和使用维护方便等。但同时达到这些要求是不容易的。因此采用如图4所示传动方案。
2.3 医疗床结构方案设计
在腰部康复驱动系统的空间放置中图5所示方案体现出柔性处理思想,可以随时安装和取下该装置,并且能够体现出整体性思想和全局方案配置上的更加优化。
3 部分主要零件的设计计算
3.1 传动轴直径的估算及验算(包括弯曲刚度、扭转刚度、花键键侧挤压力及危险断面的强度等)
选择轴的材料确定许用应力
选轴的材料为45号钢,调质处理。查表可知:
按弯矩复合强度计算:(1)求分度圆直径:已知d1=195mm;(2)求转矩:已知T2=198.58N·m;(3)求圆周力:得Ft=2T2/d2=2×198.58/195=2.03N;(4)求径向力:得Fr=Ft/tanα=2.03×tan200=0.741N;(5)因为该轴两轴承对称,所以:LA=LB=48mm
轴承支反力:FAY=FBY=Fr/2=0.74/2=0.37N
由两边对称,知截面C的弯矩也对称。截面C在垂直面弯矩为:MC1=FAyL/2=0.37×96÷2=17.76N·m
截面C在水平面上弯矩为:MC2=FAZL/2=1.01×96÷2=48.48N·m
求其合弯矩:
求其扭矩转矩:T=9.55×(P2/n2)×106=198.58N·m
求其婉拒当量转矩产生的扭剪文治武功力按脉动循环变化,取α=0.2,截面C处的当量弯矩:Mec=[MC2+(αT)2]1/2=[51.632+(0.2×198.58)2]1/2=65.13N/m
校核危险截面C的强度:
所以该轴强度足够。
3.2 主轴的计算及验算(包括轴径的选择、合理跨距的确定、刚度验算等)
选择轴的材料确定许用应力
选轴的材料为45号钢,调质处理。查表可知:σb=650Mpa,σs=360Mpa,[σb+1]bb=215Mpa,[σ0]bb=102Mpa,[σ-1]bb=60Mpa
按扭转强度估算轴的最小直径,单级齿轮减速器的低速轴为转轴,输出端与联轴器相接,从结构要求考虑,输出端轴径应最小,最小直径为:d≥C。
查表,45钢取C=118,则d≥118×(2.64/473.33)1/3mm=20.92mm考虑键槽的影响以系列标准,取d=22mm。
确定轴上零件的位置与固定方式:单级减速器中,可以将齿轮安排在箱体中央,轴承对称布置在齿轮两边。齿轮靠油环和套筒实现轴向定位和固定,靠平键和过盈配合实现周向固定,两端轴承靠套筒实现轴向定位,靠过盈配合实现周向固定,轴通过两端轴承盖实现轴向定位,确定轴的各段直径和长度:初选用6206深沟球轴承,其内径为30mm,宽度为16mm。考虑齿轮端面和箱体内壁,轴承端面与箱体内壁应有一定距离,则取套筒长为20mm,则该段长36mm,安装齿轮段长度为轮毂宽度为2mm。
按弯扭复合强度计算:(1)求分度圆直径:已知d2=50mm;(2)求转矩:已知T=53.26N.m;(3)求圆周力Ft:根据式得Ft=2T3/d2=2×53.26/50=2.13N;(4)求径向力Fr根据式得Fr=Ft/tanα=2.13×0.36379=0.76N;(5)因为两轴承对称,所以LA=LB=50mm
求支反力FAX、FBY、FAZ、FBZFAX=FBY=Fr/2=0.76/2=0.38N
截面C在垂直面弯矩为:MC1=FAXL/2=0.38×100/2=19N.m
截面C在水平面弯矩为:MC2=FAZL/2=1.065×100/2=52.5N.m
计算合成弯矩:
计算当量:取α=0.4,Mec=[MC2+(αT)2]1/2=[55.832+(0.4×53.262]1/2=59.74N.m;校核危险截面C:σe=Mec/(0.1d3)=59.74x1000/(0.1×303)=22.12Mpa<[σ-1]b=60Mpa。所以此轴强度足够。
4 技术经济分析
4.1 技术、经济与政策相结合
在国家大力扶持机械制造业的背景下,发展创新则是未来经济转型的重中之重,也是符合国家经济政策的利益。该康复装置则是在这个背景下应运而生的。实现了技术,经济与政策的结合。
4.2 当前利益和长远利益相结合
设计该装置即使当前利益使然因为目今市场上该项产品并不够成熟,满足不了日益增长的对该系统装置的需求,可以预见,在将来这种需求将更加旺盛,所以尽快开发出该项产品并使其技术成熟则是重中之重。
4.3 定性分析和定量分析相结合
在首先满足的系统性能需求的情况下,更实现空间的紧凑和合理配置,运动的更加精确与成本的节省则是发展的方向。同时柔性化的设计则更能高效合理的利用该装置以及见很少成本。使得该项技术更加灵活与成熟。
5 结论
本文论述了一个医疗康复器械的设计过程,由于篇幅有限,只将此设计方案中的重要内容在此作一个综合概述,一个完整的机械方案设计涉及到建模,计算仿真分析,尺寸材料选用以及加工工艺等,本文主要将一些核心部件的简图,核心零件的计算,以及主要结构方案和模型方案的设计给出,望能给读者相应的参考价值。
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谈康复中心医疗建筑设计 篇2
综合医院康复医学科及康复医学专科医院是在康复医学理论指导下, 应用功能评定和物理治疗、作业治疗、言语治疗、心理康复、传统康复治疗等康复医学诊断和治疗技术, 为患者提供全面、系统的康复医学专业诊疗服务的临床诊疗空间, 并负责为社区卫生服务网络提供康复医学专业咨询、培训和技术指导。
康复医学科主要处置神经系统相关伤病、骨与关节伤病、心肺疾病、代谢性疾病、老年退行性病变、儿童神经骨骼发育迟缓与先天性缺陷等所导致的功能障碍, 以及因各种原因引起的疼痛等。其诊疗对象包括上述伤病急性期、亚急性期出现身体结构与功能异常、个体活动以及参与能力受限的患者。
(一) 疾病诊断与康复评定
纳入国际功能分类范畴的标准化评定和实验室检测项目, 包括肢体运动功能评定、活动和参与能力评定、生存质量评定、运动及步态分析、平衡测试、作业分析评定、言语及吞咽功能评定、心肺功能评定、心理测验、认知感知觉评定、疼痛评定、肌电图与临床神经电生理学检查等。
(二) 临床康复处理
针对功能障碍和疼痛的医疗技术、药物治疗以及其他以功能恢复为目的的临床医疗手段。
(三) 康复治疗
在执业医师指导下, 由康复治疗师、医学工程以及相关专业人员所实施的康复专业技术服务。包含:物理治疗 (含运动治疗和物理因子治疗) 、作业治疗、言语治疗、心理康复、传统康复治疗、矫形器制作及训练。
二、项目概况
某省康复中心新建项目工程 (图1) 位于交通便利地段, 与城市中心及机场均有地铁相连, 环境舒适, 便于患者修养康复。其建筑面积47000㎡, 地上建筑面积35600㎡, 地下建筑面积11400㎡, 基底面积7000㎡。地上9层, 地下1层。主楼高45 m、裙房高18m。容积率1.7, 建筑密度27%, 绿地率45%。
康复中心四周用地为规划路, 南侧规划路以南约100m处为城市干道 (下通地铁) 。用地南临城市绿化用地, 其余周边均为现状耕地。院区地势平缓, 地形平坦, 东侧略高。院区北、西、东侧功能绿化起到减弱城市噪音对医院影响的作用, 改善医疗环境。康复中心南侧设置的大面积水景园林与用地南侧的城市绿化用地连成一片, 并通过台地状阶梯绿化与建筑内部庭院沟通, 为住院患者提供良好的休闲康复环境。
康复中心周圈设置不小于4m宽的消防道路;门诊及住院入口前设置广场, 便于集散人流。在首层周圈设计了以下9个出入口:门诊出入口位于北侧偏东部位, 门诊患者及家属由此进入;康复出入口位于北侧偏西部位, 康复患者及家属由此进入;住院出入口位于西侧中部, 住院患者及家属由此进入;货物入口位于西侧偏南部位, 主要用于厨房所需货物的运送;餐厅、报告厅出入口位于南侧偏西部位, 主要服务于就餐人员及报告厅;办公出入口位于东侧偏南部位, 办公人员由此进入;疏散出口共三处, 分别位于北侧中部、西部及报告厅东南角, 专供消防疏散使用。
三、单体设计
康复中心地上9层, 地下1层, 针对其特殊的康复医疗性质, 对其平面功能布局、立面效果及无障碍设施, 进行了针对性设计。
(一) 平面布局
地下一层:地下车库、太平间及冷冻机房、职业康复、管理用房、康复工程、机电设备用房等。
首层:公共空间 (图2) 、康复门诊、普通门诊、门诊治疗、社会康复、检验科、放射科、出入院办、餐厅厨房、报告厅及附属用房。
二层:功能检查科、心理科、言语科、运动治疗、理疗区。
三层:作业治疗、手术中心、供应中心、针灸推拿区、亚健康中心。
设备管道夹层:功能为管线转换及布置净化空调机组。
四~八层:病房。
九层:行政办公区及附属用房。
机房层:电梯机房及设备用房。
(二) 外形设计
外装修以干挂石材为主, 裙房部分局部设置玻璃幕墙。主楼以断桥铝合金带型窗为主。层间装饰铝合金线脚, 以简洁、明快、大气的装饰材料和手法营造现代化医疗建筑的形象 (图3) 。
(三) 无障碍设计
由于康复中心主要接待各类因伤肢体残疾及慢性病患者, 所以其无障碍设计尤为关键。住院出入口、门诊出入口、康复出入口、VIP出入口均为无障碍出入口, 坡度不大于2%。无障碍出入口平开门选用小力度弹簧门。主要出入口与室外广场设置的无障碍停车位及城市无障碍系统之间设盲道相连。首层以上各层均设有无障碍专用卫生间。其他各层公共卫生间设助力拉手, 病房卫生间设安全抓杆, 门锁可双向开启。无障碍专用卫生间及病房卫生间均在低位 (距地约0.5m处) 设置防水型呼叫报警按钮。设置无障碍电梯, 应具有呼叫、控制、语音系统、扶手及盲文提示等符合残疾人使用的各项功能。门厅、电梯厅、主要楼梯间等设置盲文标识牌及扶手、地面设盲道;公共服务台、公用电话、出入院接待、吧台、导医台等处设750mm高的满足无障碍设施要求的低位台面。另外各层病房均按照无障碍病房标准设置。
四、结束语
医疗康复机械设计 篇3
近年来,随着科学技术的进步和人民生活水平的提高,人们对康复器械的要求越来越高,目前,世界上大约有十余家实验室从事人体助力机器人的研究,国内也有很多研究机构在研究下肢康复训练机器人,但它们大多仅仅是考虑了模拟人腿的正常步态,没有考虑行走过程中重心的变化,本文设计一种带有重心平衡机构的新型康复训练机器人,并通过计算和仿真验证其正确性和必要性。此种下肢康复训练机器人是根据康复医学理论和人机合作机器人原理,通过一套计算机控制下的走步状态控制系统,使患者模拟正常人的步伐规律作康复训练运动,锻炼下肢的肌肉,恢复神经系统对行走功能的控制能力,达到恢复走路机能的目的。
根据康复医疗理论,髋关节有屈伸、内收外展和内旋外旋三个自由度。膝关节在屈伸过程中可近似看作一个自由度。踝关节有屈伸、内收外展两个自由度。因此设计时应尽量考虑两个平面的运动,使设计更加符合人体的正常步态,这样的康复效果才能达到最佳。
在康复治疗方面,减重步态训练PBW-STT(Partial Body Weight Support Treadmil Training)是目前下肢偏瘫患者康复治疗普遍采用的有效方法之一,该方法利用机械减重结构使得人体只用承受部分身体的重量,并且能够根据患者的康复程度,调整减重的比例,使得康复的效果达到更好。现在该方法的效果已经得到国内外诸多医学专家的普遍认同[1,2]。
2 总体机械结构设计
下肢康复训练机器人的机械结构如图1和图2所示,分为外部框架、减重机构、重心平衡机构和腿部驱动机构四部分。外部框架用于支撑减重机构和重心平衡机构。减重机构由下部驱动气缸、连接部分的钢丝绳和导轮、可穿戴式的减重背心构成,根据患者的自身体重及病情轻重,通过连接在钢丝绳尾部的驱动气缸来减轻患者的自身体重。重心平衡机构在人的正常步态行走过程中,通过安装于平行四边形机构的气弹簧来被动实现,当人在跑步机上行走时,气弹簧会跟随人的重心变化自动伸缩,起到重心平衡的目的。最后一部分是腿部机构,根据正常成年人的身高比例尺寸,确定各个构件的基本尺寸,包括髋关节、膝关节和踝关节三个关节,分别连接了该部分的大腿机构、小腿机构和脚部机构,从而组成了可穿戴式步态康复训练机器人外骨骼模型。
该模型驱动部分由气缸驱动,并分别安装电位器式位移传感器和拉线式位移传感器,用于检测气缸的伸缩位移量,并将信号送入数据采集卡,通过硬件电路平台,送入由PC机构成的上位机,处理后,由PC机向气动高速电磁阀输入信号,驱动气缸完成动作,从而构成了一套完整的闭环控制系统,控制该机构完成指定动作。
3 重心平衡机构设计
3.1 人体重心轨迹研究
通过建立一个抽象的人体棍棒模型,分析出人在正常站立时、以及在行走过程中重心最高、最低几种特殊的状态,得到这几个特殊状态的数据,其三维数学方程式如下:
式中:,为站立时重心与脚支撑点的距离,为行走过程中重心处于最低点时重心到地面的高度,,A为步宽,S为步长,50cm≤S≤80cm。h为身高,m为人站立时两脚支撑点的距离,t0为人行走时左右摆动一次的时间,t为行走时间,V为行走速度。x为人行走时重心上下位移量,y为左右位移量,z为前后位移量[3]。
以身高1.65的人为例,其重心轨迹如图3所示。
3.2 机械结构设计
根据上述人体重心轨迹的变化曲线,可知人体重心平衡是很有必要的。本文设计了一种被动调节该重心变化的机械结构(图4),来实现人体重心的此种变化规律。该重心平衡机构,由一个平行四边形结构和一根气弹簧组成,四边形的四个顶点由铰链连接,可以自由转动。气弹簧是以气体和液体为工作介质的一种弹性元件,由压力管,活塞,活塞杆及若干联接件组成,其内部充有高压氮气,与机械弹簧不同的是,气弹簧具有近乎线性的弹性曲线。当气弹簧受到来自人体的压力时,会根据压力大小自动伸缩,从而缓冲该压力的大小,最终就会跟随人体重心的上下移动,来被动实现人体重心的变化轨迹。
4 运动仿真
SimMechanics利用模块框图的建模环境来对刚体机构运动进行设计和仿真。直接通过模块对实际构件和构件之间的关系来对系统进行建模和设计。在其中加入控制模块即可组成复杂的机电一体化系统[4]。
(1)建立仿真模型
在Simulink环境下对步态康复训练机器人进行运动学仿真需要以下几个步骤。
1)建立重心调整机构的简化模型,在重心上下变化面上,根据设计方案,确定机架、腿部连接架、和上下支撑臂构成平行四边形机构,气弹簧作为该平行四边形机构的一条对角线,腿部机构和人体的自身重力作为载荷Fn,通过气弹簧提供的弹力F提供支撑。随着气弹簧的伸缩,其行程A会发生改变,四边形形状发生变化,其连接腿部的边就会上下运动,从而带动患者整体重心上下移动,实现人体重心的动态调整。由此可以确立各个构件的尺寸,同时设定相关坐标系参数。
2)根据仿真需要添加驱动器,示波器等相关模块。
3)获取输入的驱动信号。重心平衡机构要模拟人的正常重心变化,就需要给其输入正常人行走的重心变化曲线,由于人体重心的左右和前后变化量远小于重心上下变化,故在此仅考虑重心上下变化的情况,这里就把气弹簧的行程变化来作为重心平衡机构的输入量,作为其输入参数。
气弹簧行程变化计算:
在上式中,人的自重容易测得,f吊大小在0~300N之间,F0和K是气弹簧的自身参数,与其尺寸大小有关。足底力f吊可以根据下肢康复训练机器人足底力检测方法获得其变化曲线[5],从而就可以得到气弹簧行程A+△A的变化。
(2)仿真结果分析
在Simulink中设置仿真环境参数,启动仿真。在示波器Scope中可以得到仿真设定时间内人体重心变化曲线如图所示。图中实线是根据人体上下重心的数学方程得到的计算曲线,虚线是在Simulink下仿真所获得的仿真曲线,横轴为时间,纵轴为重心上下位移变化量。由图中曲线对比可以看到,仿真曲线与计算曲线相吻合,这就说明了仿真曲线的可行性,同时也从另外一个侧面验证了重心变化数学方程的正确性。
5 结束语
本文根据下肢康复训练机器人的设计要求,应用Pro/E软件制作了康复训练机器人的实体模型,并完成虚拟装配并利用MATLAB软件中的simulink模块对其重心平衡机构部分进行了运动仿真。该仿真方法有效验证重心平衡模块的设计,为后续设计工作提供了技术保障,对进一步优化这一新型康复训练机器人提供了方便有效的途径。
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医疗康复机械设计 篇4
我国肢体矫形器生产始于20 世纪50 年代, 主要引自当时前苏联的设备与技术, 它对我国肢体伤病残功能重建起到了重要作用。 但是, 由于当时我国经济文化等诸多因素的限制, 多年来肢体矫形器没有被医患者重视。 20 世纪90 年代以来, 随着医学科学的发展, 人民生活水平的改善, 矫形器的研制和应用日益受到重视, 近几年来已在不少大、中城市普及应用, 并列入中国残疾人事业“ 九五”计划纲要, 肢体残疾康复实施计划的重要内容之一[1]。
2 矫正机构设计
矫正单元机械组成部分主要由过载保护装置、轴、矫正触头、支板、滑块、直线导轨等组成。 在夹紧力的作用下, 患者膝关节处的韧带内侧纵向拉伸, 膝关节间的间隙变小, 长期作用下促使患者韧带两侧的受力逐渐恢复平衡, 从而减小甚至消除患者膝关节间的间隙。
2.1 矫正支板的强度校核
2.1.1 支板尺寸设计
矫正单元支板的安装位置 ( 如图1) 所示, 主要起到对矫正触头与过载保护装置的支撑作用及其辅助电动推杆推动矫正触头对腿部的夹紧作用。 支板的外形尺寸为:长* 宽* 高=95mm*50mm*277.5mm。
2.1.2 支板受力分析及其校核
2.2 拉伸机构设计
腿部拉伸单元主要是辅助矫正单元, 通过拉伸作用, 使患者膝关节处的韧带纵向受力拉开, 促进软骨组织的增生与分泌, 有利于恢复韧带的受力平衡。 该单元主要由牵引器、拉力传感器、电动推杆以及绳索等组成, 主要由电动推杆提供动力, 通过绳索、拉力传感器、牵引器等辅助件给腿部提供拉力, 拉力传感器检测拉力的大小, 及时提供反馈信息, 从而进行控制电动推杆的运转。 拉力传感器获得的力为腿部拉力的2 倍, 这样便会放大力的控制范围, 从而更加便于控制。 双腿拉伸时总牵引力为1/4 患者体重。
2.3 震动系统设计
3电动推杆的选用及校核
4结论
主矫正部分采用了丝杠传动原理。旋转手柄, 通过两侧左右旋的丝杠的旋转带动两个丝母同活动触头一起实现对患者膝关节上下两部分的夹紧, 在两个活动触头的后面我们安装有推力传感器, 使操作者能够时时检测夹紧力的大小。腿部拉伸部分由棘轮绳轮及拉力传感器组成。旋转手柄带动棘轮转动, 棘轮的转动使绳轮将连接有传感器的拉伸绳张紧, 拉伸绳的另一端与患者的脚部相连接, 从而将患者的腿部拉直。
摘要：本文根据X/O型腿的发病机理而设计的康复仪, 可以对内翻的膝盖产生适度的旋转拉力, 具有有一定的矫正X/O型腿作用, 同时设计了物理外力施力矫正机构、腿部拉伸和振动按摩机构, 从根本上实现了施力矫正和按摩活血的功能。
关键词：物理外力,矫正,强度校核
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