吳貴軍 國(guó)秀麗

（安陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽(yáng)455000）

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年發(fā)生腦卒中患者達(dá)200萬，發(fā)病率達(dá)1.2‰。腦卒中現(xiàn)患者700萬，其中450萬患者不同程度喪失勞動(dòng)力和生活不能自理，致殘率高達(dá)75%[1]。目前腦卒中是手功能失效的主要原因之一，這類病人在發(fā)達(dá)國(guó)家的殘疾率只有30%左右，而在我國(guó)的殘疾率卻達(dá)到了50%以上[2]。手是人類與外界交流的一扇窗戶，是人類較為復(fù)雜的器官之一，手部功能損傷多樣性、復(fù)雜性逐漸增多?；颊叩氖植抗δ苷系K，不僅給生活帶來諸多不便，患者精神上也受到很大的打擊，傳統(tǒng)的治療方式有推拿、藥敷、手術(shù)等，推拿治療需要到醫(yī)療機(jī)構(gòu)排隊(duì)等待專業(yè)康復(fù)醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行一對(duì)一的訓(xùn)練，康復(fù)訓(xùn)練效果往往取決于康復(fù)醫(yī)護(hù)人員的差異、心情狀態(tài)的影響；而藥物熱敷治療的費(fèi)用較高、操作性差；手術(shù)治療風(fēng)險(xiǎn)大等缺點(diǎn)，目前使用訓(xùn)練器是防止患者肌肉的廢用性發(fā)生，促進(jìn)腦神經(jīng)代償，使患者手部功能恢復(fù)，提高患者的生活質(zhì)量的一個(gè)重要手段。而目前的康復(fù)訓(xùn)練裝置較多的依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)高校、醫(yī)療機(jī)構(gòu)開發(fā)的康復(fù)訓(xùn)練器從成本上、舒適度、安全性上需要很大程度的提高，結(jié)構(gòu)上需要很大程度上的創(chuàng)新。

1 創(chuàng)新方法

創(chuàng)新方法是研究人類創(chuàng)造發(fā)明活動(dòng)并揭示歸納一般規(guī)律的科學(xué)，其目的在于通過創(chuàng)新活動(dòng)過程的經(jīng)驗(yàn)積累與總結(jié)，利用這些創(chuàng)新方法作為鋪墊，做出更偉大的發(fā)明創(chuàng)造，使人類社會(huì)活動(dòng)不斷推陳出新，精神生活和物質(zhì)生活不斷提高，所以說創(chuàng)新是一個(gè)民族興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力。

作為專門研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的TRIZ理論已建立起一系列的具有普通實(shí)用性的工具幫助設(shè)計(jì)者盡快獲得滿意的最終解。TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）是俄文中發(fā)明問題解決理論的詞頭。由前蘇聯(lián)根里奇·阿奇舒勒及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員，自1946年開始，經(jīng)過50多年的對(duì)數(shù)以百萬計(jì)的專利文獻(xiàn)加以搜集、研究、歸納、提煉建立起來的。其內(nèi)容廣泛，總結(jié)為：①8大技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則；②IFR最終理想解；③40個(gè)發(fā)明原理；④39個(gè)通用工程參數(shù)和阿奇舒勒矛盾矩陣；⑤物理矛盾和分離原理；⑥物-場(chǎng)模型分析；⑦76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法；⑧ARIZ發(fā)明問題解決算法；⑨科學(xué)原理效應(yīng)庫(kù)[3]。

2 手指康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計(jì)

人手自由度較多,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，手掌上的四指每根手指都有3個(gè)自由度，四指的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)由掌指關(guān)節(jié)MP、近側(cè)指間關(guān)節(jié)PIP、遠(yuǎn)側(cè)指間關(guān)節(jié)DIP[4]共同協(xié)作完成，如圖1所示：

圖1 人手自由度結(jié)構(gòu)圖

正常人四指各關(guān)節(jié)的的屈伸范圍如表1[5]所示：

表1 正常人手四指關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍

由于人的四指中每根手手指都有3個(gè)自由度，且每根手指運(yùn)動(dòng)范圍都不相同，手指康復(fù)訓(xùn)練器的初步設(shè)計(jì)采用2種形式:①單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，價(jià)格低廉，便于患者接受，其機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖2所示，患者的遠(yuǎn)側(cè)指節(jié)綁縛在構(gòu)件2上；②三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要協(xié)同控制，成本較高，其機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖3所示，患者的遠(yuǎn)側(cè)指節(jié)綁縛在構(gòu)件4上。

圖2 單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 三電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

綜合比較以上2種設(shè)計(jì)方案，都各有優(yōu)缺點(diǎn)，如果采用方案一，雖然成本低，易于控制操作，但患者四指依靠單一的構(gòu)件2驅(qū)動(dòng)患者的四指進(jìn)行屈伸康復(fù)訓(xùn)練，其運(yùn)動(dòng)軌跡與四指各關(guān)節(jié)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)軌跡差別很大，造成其施力牽引方向與患者四指屈伸牽引力方向不一致，四指容易受到傷害，系統(tǒng)安全性、可靠性差；如果采用方案二，雖然能克服上述方案一的缺點(diǎn)，可靠性高，但其采用多電機(jī)協(xié)同控制，復(fù)雜程度高，成本是方案一的幾倍，整個(gè)康復(fù)訓(xùn)練裝置也較笨重。當(dāng)出現(xiàn)以上矛盾時(shí)，應(yīng)該將兩方案的問題轉(zhuǎn)換為TRIZ語(yǔ)言，使用TRIZ理論中的阿奇舒勒矛盾矩陣，定義技術(shù)矛盾，得到有效的方案。

在上述方案一中，用39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)就可表示成：需要改善的參數(shù)是操作流程的方便性與產(chǎn)生的惡化參數(shù)是可靠性、力三者之間的矛盾；在方案二中：需要改善的參數(shù)是系統(tǒng)可靠性與產(chǎn)生的惡化參數(shù)是系統(tǒng)復(fù)雜性兩者之間的矛盾，產(chǎn)生的的矛盾矩陣如表2所示。

表2 手指康復(fù)訓(xùn)練器兩種方案的矛盾矩陣

根據(jù)表2的矛盾矩陣，方案一產(chǎn)生推薦的發(fā)明原理是：17空間維數(shù)變化、27廉價(jià)替代品、8重量補(bǔ)償、40復(fù)合材料原理、28機(jī)械系統(tǒng)替代、13反向作用、35物理或化學(xué)參數(shù)變化；方案二產(chǎn)生推薦的發(fā)明原理是13反向作用、35物理或化學(xué)參數(shù)變化、1分割。矛盾矩陣中方案一、方案二各給出了7項(xiàng)和3項(xiàng)原理，推薦的發(fā)明原理給出了問題的有效解法，在方案一中推薦的基于發(fā)明原理17空間維數(shù)變化，采用單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)，增加運(yùn)動(dòng)構(gòu)件數(shù)量，采用行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖4所示。該方案伺服電機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪3與齒輪4嚙合，使轉(zhuǎn)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)軸5上的系桿7轉(zhuǎn)動(dòng)，行星輪8轉(zhuǎn)動(dòng)，因其與固定的中心輪6嚙合，故行星輪8自傳的同時(shí)繞著中心輪6的中心轉(zhuǎn)動(dòng)，行星輪8上固定的手指驅(qū)動(dòng)桿帶動(dòng)患者的四指進(jìn)行屈伸的康復(fù)訓(xùn)練，該方案雖然采單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而行星輪8的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)達(dá)到了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效果，使患者四指遠(yuǎn)動(dòng)舒適性有很大提高。

圖4 行星式手指康復(fù)訓(xùn)練器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5 行星式手指康復(fù)訓(xùn)練器模型圖

為驗(yàn)證該方案的可行性，需要對(duì)其進(jìn)行仿真分析，利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模、裝配建立了如圖5所示的手指康復(fù)訓(xùn)練器三維模型。為防止患者手指牽引力過大，通常設(shè)定驅(qū)動(dòng)患者四指的力量不超過200N，為保證驅(qū)動(dòng)患者四指運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)桿的強(qiáng)度，利用SolidWorks軟件的Simulation仿真插件，設(shè)置驅(qū)動(dòng)桿材料為合金鋼，對(duì)驅(qū)動(dòng)桿底端圓柱面部分添加固定約束，驅(qū)動(dòng)桿中間位置添加集中載荷200N，進(jìn)行網(wǎng)格化，節(jié)總數(shù)11946，單元總數(shù)7414，圖6為驅(qū)動(dòng)桿網(wǎng)格化的有限元離散模型。

圖6 驅(qū)動(dòng)桿網(wǎng)格化的有限元離散模型

計(jì)算出患者手指極限受力狀態(tài)下如圖7所示的應(yīng)力云圖和位移云圖，最大應(yīng)力為344MPa，屈服強(qiáng)度為620MPa，最大位移量為0.25mm，所以該驅(qū)動(dòng)桿安全可靠。

圖7 驅(qū)動(dòng)桿位移云圖和應(yīng)力云圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)腦卒每年的發(fā)病情況進(jìn)行了介紹，而使用康復(fù)訓(xùn)練器是患者手部功能恢復(fù)的不可或缺的重要手段，采用有單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)患者舒適性差、而采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的手指康復(fù)訓(xùn)練器成本高、控制難度大，如何利用創(chuàng)新方法對(duì)手指康復(fù)訓(xùn)練器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，興利除弊，利用矛盾矩陣?yán)碚撎岢鰡我浑姍C(jī)驅(qū)動(dòng)方案中需要改善的參數(shù)是操作流程的方便性與產(chǎn)生的惡化參數(shù)是可靠性、力三者之間的矛盾；在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案中：需要改善的參數(shù)是系統(tǒng)可靠性與產(chǎn)生的惡化參數(shù)是系統(tǒng)復(fù)雜性兩者之間的矛盾，得到多個(gè)有效解，采用空間維數(shù)變化的發(fā)明原理，設(shè)計(jì)出行星輪式手指康復(fù)訓(xùn)練器，是單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)和多電機(jī)驅(qū)動(dòng)2種方案優(yōu)點(diǎn)的有利結(jié)合，并利用SolidWorks軟件對(duì)該方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

［1］簡(jiǎn)卓，易金花，顧余輝，等.索控式三自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人［J］.中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐，2013，19（1）:82-85.

［2］王堅(jiān)，王愛民，曹陽(yáng).基于力反饋的手部康復(fù)訓(xùn)練裝置研究進(jìn)展［J］.測(cè)控技術(shù)，2013，32（2）:1-4.

［3］彭慧娟，成思源，李蘇洋，等.TRIZ的理論體系研究綜述［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（10）:270-272.

［4］李海麗，謝叻，魏盛凱，等.手功能康復(fù)機(jī)器人技術(shù)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2014，30（1）:24-28.

［5］王鵬，付宜利，王樹國(guó)，等.創(chuàng)傷手指康復(fù)外骨骼手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.2010，18（1）:108-116.