于開迪　尹樂

摘 要：為滿足腦癱患者和老年人的康復(fù)鍛煉需要，通過對肢體運動特性分析，設(shè)計了一種能夠使殘疾人腰部、腿部、手部進行康復(fù)治療的運動椅。根據(jù)康復(fù)運動椅的功能要求和人機工程學(xué)原理，借助Solidworks軟件建立了各部分的三維模型并進行了總體結(jié)構(gòu)裝配?？祻?fù)運動椅功能多樣，適用于不同人群進行康復(fù)鍛煉。

關(guān)鍵詞：康復(fù)運動椅 設(shè)計 建模 肢體運動

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0043-03

作為下肢殘障者和老年人的代步工具，輪椅的種類較少、功能單一。普通輪椅只具有代步功能，使用者肢體得不到有效運動與鍛煉，對肢體康復(fù)鍛煉很不利?？祻?fù)輪椅種類較多，但具有代步和康復(fù)兩用功能的輪椅種類較少?；谌藱C工程學(xué)，設(shè)計了一款代步/康復(fù)兩用輪椅，以滿足肢體殘障者和老年人使用輪椅進行康復(fù)鍛煉的需要。利用Solidworks軟件對康復(fù)輪椅進行三維建模和結(jié)構(gòu)裝配，優(yōu)化了設(shè)計參數(shù)，從而有效降低產(chǎn)品的開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。

1 整體設(shè)計分析

四肢康復(fù)運動椅的運動必須符合人體運動學(xué)的基本規(guī)律，以保證人體四肢正確的運動軌跡。坐在四肢康復(fù)運動椅上，人的腿部動作主要是類似走路時雙腿周期性的伸腿與收腿，使膝關(guān)節(jié)和兩側(cè)的肌肉得到活動和伸展，促進腿部行走功能的恢復(fù)。四肢康復(fù)運動椅通過傳動系統(tǒng)帶動升降臂運動，從而帶動患者進行蹲起運動，實現(xiàn)人體腰部和下肢骨骼的肌肉康復(fù)鍛煉。利用彈簧的伸縮設(shè)計的手指康復(fù)儀器，帶動患者手指有規(guī)律性地伸-握動作，實現(xiàn)人體手指肌肉的康復(fù)訓(xùn)練。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

康復(fù)輪椅采用四輪結(jié)構(gòu)，后輪為主動輪，前輪為從動輪。整車由驅(qū)動機構(gòu)、座椅機構(gòu)、防護裝置、肢體運動機構(gòu)和車架構(gòu)成?？祻?fù)輪椅各部分結(jié)構(gòu)根據(jù)其功能要求和人機工程學(xué)原理進行設(shè)計，借助Solidworks軟件建立了各部分的三維模型并進行了總體結(jié)構(gòu)裝配（如圖1）。

2.2 驅(qū)動機構(gòu)

驅(qū)動機構(gòu)主要包括后輪、齒輪傳動機構(gòu)和鏈傳動機構(gòu)。

2.2.1 齒輪傳動機構(gòu)

為了實現(xiàn)人的站立和坐兩種姿勢的訓(xùn)練，利用齒輪傳動的特性設(shè)計出四肢康復(fù)運動椅的升降臂結(jié)構(gòu)。齒輪傳動機構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動、錐齒輪與普通圓柱齒輪組合的設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

蝸輪與旋轉(zhuǎn)把手固聯(lián)，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)把手后，由蝸輪蝸桿機構(gòu)傳動到兩側(cè)錐齒輪組中，錐齒輪帶動繞線軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動康復(fù)椅兩側(cè)升降桿上下運作，升降桿上部橫桿支撐人體左、右腋部，從而協(xié)助人體完成蹲起動作。支撐桿的往復(fù)運動距離可以通過調(diào)節(jié)行程插銷位置來控制從而滿足不同患者的身高要求。蝸輪蝸桿傳動產(chǎn)生噪音小，單級傳動比大，因此，驅(qū)動電動扶梯、電梯、移動人行道以及近年來防止公害的機器，都使用蝸輪蝸桿減速器。蝸桿軸和蝸輪軸的布置，有時可做到既能節(jié)約原動機和從動機的安裝面積又方便和合理。蝸桿導(dǎo)程角小于摩擦角時，還可以設(shè)計自鎖的蝸桿傳動裝置。利用此性質(zhì)可保證使用者的安全問題。

2.2.2 鏈傳動機構(gòu)

鏈傳動由主動軸、前鏈輪、鏈、后鏈輪和從動軸構(gòu)成。通過鏈傳動將主動軸運動傳遞給后鏈輪，實現(xiàn)控制四肢康復(fù)運動椅前后運動。

2.3 旋轉(zhuǎn)座椅

為了使用者更加便捷地進入四肢康復(fù)運動椅進行康復(fù)治療，同時本著簡化機械結(jié)構(gòu)的原則，四肢康復(fù)運動椅座椅機構(gòu)由帶凸臺上板面、帶凹槽下板面、軸承組成。根據(jù)人機工程學(xué)原理，座椅結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)符合人體坐姿尺寸，主要包括座椅高、座椅寬、座椅深、扶手高、腳踏板到座椅面的高度等。根據(jù)GB 10000-88《中國成年人人體尺寸》給出的人體尺寸數(shù)據(jù)和舒適度的要求，座椅結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計如下：座椅高主要與小腿長和足高尺寸相關(guān)，考慮使用者的舒適性，設(shè)計成可調(diào)節(jié)的，尺寸為340～450 mm；座椅寬是座面左右距離，主要與坐姿臀寬和臀寬尺寸相關(guān)，同時考慮衣服余量，尺寸為450 mm；座椅深應(yīng)能使臀部得到完全支撐，與大腿長尺寸相關(guān)，考慮余量，尺寸為450 mm；扶手高主要與坐姿肘高尺寸相關(guān)，設(shè)計尺寸為285 mm。

2.4 防護裝置

防護裝置主要由兩側(cè)伸縮護欄、自鎖靠背、腳步護踝板構(gòu)成。

如圖3伸縮護欄主要由兩根過渡配合的方管和V型彈片組成，將V型彈片套入細管中，并將細管插入粗管中，利用通孔位置不同，即可實現(xiàn)定位功能。自鎖靠背由靠背與卡棍組成，當(dāng)靠背處于工作狀態(tài)時，卡棍在重力作用下自然伸出，下部抵在椅面，從而將靠背自鎖，保證患者安全。同時卡棍的長度可調(diào)，從而可調(diào)整靠背角度，讓使用者在使用過程中安全、舒適。

腳步護踝板由護踝板和踏板構(gòu)成，如圖4。在模擬人走路動作時，將患者腳步抵靠在護踝板上，避免使用者剛開始使用康復(fù)椅，不習(xí)慣康復(fù)椅運動步伐規(guī)律，而撞擊在兩側(cè)支撐桿，造成損傷。

2.5 肢體運動機構(gòu)

肢體運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示，由踏板、凸輪、連桿構(gòu)成。轉(zhuǎn)動輪椅把手，由鏈傳動帶動后輪轉(zhuǎn)動，帶動下肢連桿機構(gòu)運動，從而帶動凸輪轉(zhuǎn)動，使腳踏板有規(guī)律地前后、起伏運動，從而模仿走路動作，實現(xiàn)肢體運動，并且可調(diào)節(jié)凸輪位置，更改運動幅度。

3 四肢康復(fù)運動椅創(chuàng)新點

（1）利用齒輪傳動機構(gòu)的特性設(shè)計出符合產(chǎn)品要求的升降臂結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)人的站立和坐立兩種姿勢的調(diào)整，模仿蹲起動作。

（2）在踏板上裝有壓力傳感器，可感知患者腿部所承受的壓力，防止壓力過大導(dǎo)致腿部受力大而產(chǎn)生損傷。

（3）利用彈簧的特性設(shè)計出實現(xiàn)半自動康復(fù)手指功能的產(chǎn)品。

（4）采用旋轉(zhuǎn)座椅與伸縮護欄、自鎖靠背，使四肢康復(fù)運動椅安全可靠并且方便患者進入康復(fù)運動椅。

（5）采用可調(diào)節(jié)連桿-凸輪機構(gòu)模擬人走路動作。

4 結(jié)語

康復(fù)運動椅的設(shè)計符合人體運動學(xué)基本規(guī)律。通過對機械系統(tǒng)運動建模裝配，各零部件之間不存在干涉情況，機械運動符合設(shè)計要求，實現(xiàn)了代步和康復(fù)鍛煉的雙重作用。

參考文獻

[1] 申俊.基于人機工程學(xué)的老年人輪椅舒適性及其輕量化研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2006.

[2] 呂超，阮峰，董萬福.基于變曲柄機構(gòu)的下肢康復(fù)機設(shè)計[J].機械工程與自動化，2008（6）：107-108.

[3] 薛強，朱賢伸，張建國.多功能輪椅車設(shè)計及其有限元分析[J].機械設(shè)計與制造，2009（7）：24-26.

[4] 丁玉蘭.人因工程學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2004.

[5] 左輝，黃世清.輪椅驅(qū)動機構(gòu)的研究分析[J].醫(yī)學(xué)工程，2014（5）：18.

[6] 曾謝華，李珊，孫東明.基于UG的機械系統(tǒng)仿真分析[J]. 機械，2005（32）：61-63.