上下肢康复运动训练系统
基于Arduino的下肢康复训练系统
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。
上下肢主被动训练器
练功能，功能参数的设置必须根据患者的年龄、身高、身 体条件、术后健康状况以及患者总体健康情况等来调整.
产品使用注意事项与安全防范
5. 如果患者有骨质疏松症、肌肉短缺等(有 损伤肌腱、关节或者骨骼的危险) ，启动设 备之后，你可以根据需要调节电机的动力. 6. 请务必开始先进行被动训练 (让电机带动 四肢运动) ，进行热身活动. （如果你可以 主动训练，请先使用低的阻力，避免过度 训练 ）。
3． 促进血液循环以及
肠蠕动；
XY-CPM-III型上下肢主被动训练器 的治疗目的
增强身体灵活性 加强肌肉剩余力量 增强康复信心 减少痉挛发生 促进新陈代谢，血液循环，改善消化功能 保持身体行动能力
XY-CPM-III型上下肢主被动训练器 的功能
痉挛控制器 该控制系统可持续感应使用者的肌肉张力， 自动探测可能发生的各种痉挛并加以处理， 当使用者发生痉挛时机器运转会逐渐变慢 之停止，然后向反方向运动，缓解痉挛， 放松肌肉，肌肉，关节不会有任何损伤， 在一定时间的使用后，可以减少患者痉挛 的发生。
上下肢主被动训练器
公司简介
安阳市翔宇医疗设备有限责任公司是一家集 研发、生产、销售康复理疗设备及创伤理疗设备 为一体的高科技公司，公司成立于2002年，现拥 有员工320余名，其中科研人员40余名,车间建筑 面积16600平方米。 我们公司致力健康事业，倡导诚信经营，注重 技术开发及良好的售后服务，赢得了用户的普遍 信赖。现在翔宇产品已被广泛应用于创伤及康复 理疗等的治疗过程中。并且已经出口到了越南、 俄罗斯、韩国、菲律宾等十多个国家和地区。
产品图片
XY-CPM-III型上下肢康复器 本机适用于那些由于现存的基础性 疾病（MS，中风）或事故后遗症 （如瘫痪）引起的运动受限。缺乏 运动的所有的健康障碍和循环障碍， 足胫冷，关节僵硬中可能是最主要 的原因之一。在这些情况下，电机 驱动的本机证明了其自身的卓越。
骨科康复常用设备配置
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。
上下肢主被动训练系统产品技术要求广州傅利叶智能
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。
下肢运动康复训练设备技术要求
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。
上下肢康复运动训练系统
★9
主动运动时可显示左右肢的的对称性训练（肌张力分析），有两种显示方式供选择。多种训练模式：主动训练、主动训练、被动训练、对称性训练
10
保护等级Ⅰ。199-watt的电机提供足够的动力
最大可适合119kg的病人。
11
有最终训练分析和事后分析，可供医生参考以调整训练方案。踏板转动幅度调整：踏板半径可以调节。
配套的技术手册1套
6.
配套的电源线1根
四、
安装及验收：
1．
安装地点：舟山市残疾人康复指导中心；
2．
安装标准：符合我国国家有关技术规范和技术标准；
3．
安装完成时间：接用户通知7天内全部调试完成；
4．
验收标准：应与产品原始样本技术资料及标书技术文件一致，还应符合我国有关技术规范和技术标准；
五、
售后服务、培训及其它：
二、
主要技术参数：
★1．
脚踏板之间的小于等于12厘米，和脚踏板能进行上下高度调整，能适合非常小的儿童并“伴随着儿童的成长“。耐用、稳固的金属构造，底座稳重，上下高度能调节。
2．
稳驱动系统：训练开始和结束，或者发生痉挛时，此功能能最大限度地保证训练的安全。
3.
主、被动运动模式可自由转换，亦可手动选择，主被动模式有大屏幕彩色显示。方便移送大轮子可随时移动，方便治疗。
增加肌肉力量和耐力对称性训练减少左右侧肢体的运动功能差异激发肌肉的潜能增强心脏和循环系统的功能增强病人自信增强病人协调和稳定脚踏板之间的小于等于12厘米和脚踏板能进行上下高度调整能适合非常小的儿童并伴随着儿童的成长主被动运动模式可自由转换亦可手动选择主被动模式有大屏幕彩色显示
上下肢康复运动训练系统（进口产品）
上、下肢康复训练评估系统招标技术参数及要求.doc
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。
Motomed上下肢康复训练器在脑卒中偏瘫患者中的康复效果及对肢体功能的影响研究
Abstract: Objective To analyze the effect of Motomed upper and lower limb rehabilitation training device in stroke hemiplegic
patients and its effect on limb function. Methods 92cases of stroke and hemiplegia patients who were admitted to our hospital from
and lower limb rehabilitation training devices, the upper limb and lower limb rehabilitation effect, nerve function and living ability
after treatment were compared and analyzed between the two groups. Results After treatment, the scores of the Hong Kong version
January 2019 to January 2020, randomly divided into two groups according to the random number table method, 46 cases in the
control group were given routine rehabilitation training, and 46 cases in the experimental group were trained with Motomed upper
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6.
配套的电源线1根
四、
安装及验收：
1．
安装地点：舟山市残疾人康复指导中心；
2．
安装标准：符合我国国家有关技术规范和技术标准；
3．
安装完成时间：接用户通知7天内全部调试完成；
4．
验收标准：应与产品原始样本技术资料及标书技术文件一致，还应符合我国有关技术规范和技术标准；
五、
售后服务、培训及其它：
定时范围为2-119分钟，显示为倒计时。
★9
主动运动时可显示左右肢的的对称性训练（肌张力分析），有两种显示方式供选择。多种训练模式：主动训练、主动训练、被动训练、对称性训练
10
保护等级Ⅰ。199-watt的电机提供足够的动力
最大可适合119kg的病人。
11
有最终训练分析和事后分析，可供医生参考以调整训练方案。踏板转动幅度调整：踏板半径可以调节。
按键音量调节:范围在0-8之间显示屏对比度：调节显示屏明暗度，范围在0-40之间
16
一百种以上可选配件
三、பைடு நூலகம்
配置要求：
1.
gracile主机1台
包含：儿童型安全脚踏板1对；
带小腿支架的腿部训练引导装置（护腿）1对；
踏板半径调节装置。
2.
电机驱动的上肢训练器1套
3.
上肢对称训练软件；
4.
专用螺丝刀1把
5.
7
智能识别痉挛，运动方向自动改变以减轻、消除痉挛。痉挛探测和控制。停止工作指示灯。助力系统，智能的飞轮系统确保匀速的旋转，保持稳定性
★8
阻力、功率、定时。
阻力挡位范围0-20，阻力降到最小，系统会非常敏感，发现训练者的残余肌力。
上肢训练的电机功率范围是0.6-9.2Nm，标准参数4.8Nm；下肢训练的电机功率范围是1.5-10.6Nm，标准参数是8.2Nm。
上下肢康复运动训练系统（进口产品）
序号
技术规格、要求
一、
1、适用范围：专用型康复运动训练，专为残疾儿童、成人（脑瘫、脊柱裂、肌肉残疾，中风、偏瘫、多发性硬化、截肢、四肢麻痹、帕金森综合症、肌力低下、肌肉萎缩、心血管疾病、关节手术后）的需要设计。增加肌肉力量和耐力，对称性训练减少左右侧肢体的运动功能差异，激发肌肉的潜能，增强心脏和循环系统的功能，增强病人自信，增强病人协调和稳定性。
★4．
ServoCycling电机协助的主动训练（助力运动）可协助极微弱肌力的病人做主动训练。
5.
按钮操作，大屏幕（8.5cm*11.5cm）清晰、高对比显示，有标准参数和个人参数供选择。
★6.
通过方向键可改变踏板转动方向（向前/向后），亦可以定时改变方向，范围在2-30min之间；速度范围0-60转/分。遥控器设置参数，如旋转方向，时间，速度，阻抗等
1.
免费保修：设备验收合格后1年；
质保期外不收取任何维修、差旅费等，仅收取配件费
2．
提供国内维修点及配件供应点；
3．
维修响应时间：2小时响应，48小时内到场
4．
提供保修内巡视保养措施、时间。
5．
培训：免费提供操作培训；
6．
提供用户操作手册
7．
必须提供进口医疗设备器械注册证和产品注册登记表；
★8．
提供医疗器械产品注册证；
二、
主要技术参数：
★1．
脚踏板之间的小于等于12厘米，和脚踏板能进行上下高度调整，能适合非常小的儿童并“伴随着儿童的成长“。耐用、稳固的金属构造，底座稳重，上下高度能调节。
2．
稳驱动系统：训练开始和结束，或者发生痉挛时，此功能能最大限度地保证训练的安全。
3.
主、被动运动模式可自由转换，亦可手动选择，主被动模式有大屏幕彩色显示。方便移送大轮子可随时移动，方便治疗。
12
系统的所有设置和程序都能舒适地通过大屏幕操作盘来操作，可触按钮用声音信号反应你的操作。金属外壳
保证主机的坚固与稳定
13
痉挛控制：一般开启，保护训练者的安全。抗痉挛模式：可探测痉挛肌肉，减轻痉挛状况
14
开始参数：用来选择下次训练参数，分为按个人参数和标准参数。
★15
语言选择：可以选择五种语言，包括中文显示。