肖陽，徐秀林

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

如今脊椎病已經(jīng)成為中老年人的多發(fā)病，且趨于年輕化。有研究顯示[1]，現(xiàn)在由于青少年生活、學(xué)習(xí)、工作習(xí)慣不好，造成了青少年脊柱側(cè)彎癥發(fā)病率高達(dá)25%[2]，我國僅上海脊椎病發(fā)病率高達(dá)13.7%[3],國外有些國家脊椎病的發(fā)病率大約在40%左右[4],因此，對于脊椎病的康復(fù)治療非常迫切。人體脊柱具有支撐軀干，吸收震蕩，保存脊髓，保護(hù)內(nèi)臟等作用[5]。一個好的脊椎對于人們的身心健康起著至關(guān)重要的作用，可是現(xiàn)在人們上班工作大多是坐姿或者站姿，而且坐姿不標(biāo)準(zhǔn)且坐立時間較長，極易導(dǎo)致脊椎關(guān)節(jié)錯位壓迫神經(jīng)、腰椎間盤突出以及附著在脊椎上的器官受到損傷而引起疾病[6-7]?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，爬行動物由于長期進(jìn)行爬行運動，所以很少患有脊椎病[8-9]。有大量調(diào)查研究表明，爬行訓(xùn)練能有效治療腰肌勞損、坐骨神經(jīng)痛、頸椎病等脊柱相關(guān)的疾病[10]。但是進(jìn)行爬行運動時有很多不便，如場地限制。而且對于患有嚴(yán)重脊柱病的患者根本不能自主爬行。因此，許多爬行器應(yīng)運而生，爬行器對場地要求不高，在家里就可以進(jìn)行爬行運動。

國外對爬行運動訓(xùn)練設(shè)備的研究較早。在70年代中期Tidwell[11]等發(fā)明了身體協(xié)調(diào)性訓(xùn)練裝置，該裝置具備三種爬行模式：雙臂和雙腿同時前后往復(fù)運動；同側(cè)手臂和腿同時前后往復(fù)運動；對側(cè)手臂和腿同時前后往復(fù)運動，實現(xiàn)訓(xùn)練兒童或肢體脊柱患者肢體運動的協(xié)調(diào)性。1989年，Iams[12]等發(fā)明了爬行運動裝置，Canela[13]等上世紀(jì)90年代設(shè)計的殘疾兒童運動訓(xùn)練裝置是一款專為肌肉運動障礙的兒童設(shè)計的運動訓(xùn)練裝置。在我國，有關(guān)爬行運動對脊柱的康復(fù)臨床作用研究較早，但沒有適合脊柱病康復(fù)的被動訓(xùn)練儀。但也有一部分研究人員設(shè)計出了不少爬行訓(xùn)練機[14-15]，雖然功能不夠完善，但也算是一個開端。目前市場上的爬行器產(chǎn)品功能比較單一，且以主動運動的健身器械為主，不利于脊椎病較嚴(yán)重的患者使用。針對上述缺陷，本研究設(shè)計了一套俯臥式多態(tài)脊柱康復(fù)訓(xùn)練與評估系統(tǒng)，為脊柱側(cè)彎等脊柱疾病患者提供多種模式的人體俯臥式脊柱康復(fù)訓(xùn)練。

2 機械設(shè)計

該俯臥式多態(tài)脊柱康復(fù)與評估系統(tǒng)主要分為爬行訓(xùn)練裝置主體、控制主機和控制軟件三部分。訓(xùn)練裝置主要包括上肢爬行機構(gòu)、下肢爬行機構(gòu)、腹部支撐機構(gòu)、擺尾機構(gòu)、升高機構(gòu)等。結(jié)構(gòu)見圖1。

2.1 上、下肢爬行機構(gòu)

由于需要進(jìn)行擺尾運動，所以采用上下肢運動機構(gòu)分體設(shè)計。爬行機構(gòu)分為下肢爬行機構(gòu)(見圖2)和上肢爬行機構(gòu)(見圖3)。上肢把手和下肢腿托都是通過滾珠絲杠模組驅(qū)動的，被動運動時，上肢把手和下肢腿托通過插銷片連接模組上的滑塊，在滾珠絲杠傳動機構(gòu)的驅(qū)動下做往復(fù)運動。為了保證滾珠絲杠的剛度，在其兩側(cè)安裝有導(dǎo)桿，并在其上方安裝有支撐板，在把手和腿托下方各安裝有四個尼龍滾輪。主動運動時，插銷片拔起，上肢把手和下肢腿托與滾珠絲杠傳動機構(gòu)脫離。為了防止把手與腿托左右運動，在支撐板上開一個槽，在槽兩側(cè)安裝直線滑軌，并配有小滑塊。把手和腿托固定連接在小滑塊上。為了適應(yīng)不同身高的患者，腿托后側(cè)腳蹬通過插銷固定，插銷拔起可調(diào)節(jié)腿托的長度，根據(jù)文獻(xiàn)[16]選擇腿托調(diào)節(jié)范圍為400～600 mm。被動運動時，在滾珠絲杠的帶動下，同側(cè)上下肢運動方向相反，左右兩肢的運動方向也相反，如此協(xié)調(diào)往復(fù)運動，模擬爬行運動。

圖1訓(xùn)練裝置整體結(jié)構(gòu)

1.腹部支撐機構(gòu) 2.上肢爬行機構(gòu) 3.下肢爬行機構(gòu) 4.擺尾機構(gòu) 5.升高機構(gòu)

Fig1Overallstructureofthetrainingdevice

圖2 下肢爬行機構(gòu)

圖3 上肢爬行機構(gòu)

2.2 擺尾機構(gòu)

擺尾運動是此訓(xùn)練系統(tǒng)的一大亮點，此功能可以幫助不能自主進(jìn)行扭腰運動的患者進(jìn)行較小幅度的扭腰運動。這樣可以刺激到相關(guān)神經(jīng)和肌肉，從而促進(jìn)患者大腦皮質(zhì)重組恢復(fù)扭腰的能力。擺尾機構(gòu)是通過一個曲柄滑塊機構(gòu)來帶動下肢支撐板繞轉(zhuǎn)動軸左右擺動，見圖4。曲柄滑塊機構(gòu)安裝在下肢支撐板的中間位置，轉(zhuǎn)動軸在支撐板前面，支撐板后面通過支撐臺來支撐，支撐臺上安裝有牛眼以減小左右擺動時的摩擦力。運動時，患者跪在腿托上，俯臥在腹部支撐上，雙手抓住把手保持穩(wěn)定，曲柄滑塊機構(gòu)帶動下肢支撐板擺動從而帶動患者進(jìn)行扭腰運動，擺動角度為-12°～12°，此角度不宜過大以免造成運動損傷。

圖4擺尾機構(gòu)

1.轉(zhuǎn)動軸 2.牛眼 3.曲柄滑塊機構(gòu) 4.支撐臺

Fig4Waggingtailinstitution

2.3 腹部支撐機構(gòu)

結(jié)構(gòu)中創(chuàng)新引入腹部支撐及調(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)在不同程度減重下進(jìn)行多種模式的訓(xùn)練，適合脊柱病較嚴(yán)重的患者進(jìn)行初期康復(fù)訓(xùn)練。腹部支撐位置可以前后、上下調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同要求的患者。此機構(gòu)由三部分組成前后調(diào)節(jié)機構(gòu)、高度調(diào)節(jié)機構(gòu)、托腹板，見圖5(a)。前后調(diào)節(jié)機構(gòu)是一個直線滑軌與滑塊的配合，滑軌上開有槽口，滑塊側(cè)邊安裝有固定夾，調(diào)節(jié)時按開夾子，調(diào)好后松開夾子，這樣夾子就會夾緊在滑軌的槽口里了，其放大結(jié)構(gòu)見圖5(b)。高度調(diào)節(jié)機構(gòu)是安裝在滑塊上面的，此機構(gòu)是齒輪齒條配合。拔起插銷，擰動齒輪，齒條可以上下運動以調(diào)節(jié)合適的高度，調(diào)好后放下插銷，機構(gòu)就固定住了。托腹板是通過連接塊固定在齒條頂端的，其與連接塊之間安裝有壓力傳感器，這樣就可以測出減重程度，有利于醫(yī)生對患者康復(fù)狀況進(jìn)行評估。高度調(diào)節(jié)范圍為295～415 mm。

2.4 升高機構(gòu)

攀高爬行、俯式爬行是兩種比較特殊的脊柱康復(fù)訓(xùn)練模式，且強度比較大不太適合脊椎病嚴(yán)重的患者。為了實現(xiàn)這兩種運動模式，在系統(tǒng)中加入了升高機構(gòu)。在側(cè)梁的兩側(cè)各安裝了一個升高機構(gòu)。升高機構(gòu)以滾珠絲杠模組為傳動機構(gòu)，通過柱形滑軌與側(cè)梁上固定的直線滑軌機構(gòu)相連，滾珠絲杠由伺服電機帶動。當(dāng)需要進(jìn)行攀高爬行時，前側(cè)的升高機構(gòu)將運動平臺前側(cè)整體抬高，與地面最大傾角為20°，后側(cè)升高機構(gòu)保持不動，見圖6。進(jìn)行俯式爬行時，前、后升高機構(gòu)運動情況對調(diào)。

圖5(a) 腹部支撐機構(gòu)；圖5(b)鎖定機構(gòu)

Fig5(a)Abdominalsupportmechanism；Fig5(b)Lockingmechanism

圖6升高機構(gòu)

1.側(cè)梁 2.直線滑軌機構(gòu) 3.滾珠絲杠模組 4.柱形滑軌

Fig6Raisingmechanism

3 運動學(xué)分析

由于沒有加工實物，所以下面通過仿真軟件對訓(xùn)練裝置的主要運動進(jìn)行仿真，從而得到一些運動數(shù)據(jù)，方便控制電機的選擇，也有利于對訓(xùn)練裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

3.1 上下肢運動機構(gòu)

通過對已有爬行機進(jìn)行測繪，設(shè)定上下肢運動機構(gòu)可運動的最大距離分別為545 mm和450 mm。正常人行走的速度為1 m/s，人在跪姿時腿長相對縮短了一半，所以爬行速度取0.5 m/s，由于運動時左右相對運動，所以正常單邊速度為0.25 m/s，由于是被動運動而且患者行動能力差，所以速度不宜過快以免造成運動損傷，綜合考慮，最高被動運動速度定為0.2 m/s，患者最高重量按100 kg算，四肢分別承重25 kg，以上肢運動為例，手把重量為2 kg，導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為u=0.1，患者在被動運動時，四肢與支撐板的角度會不斷變化，會產(chǎn)生軸向負(fù)載，軸向最大負(fù)載按患者四肢與支撐板成45°角時計算。

F=250/√2+(250/√2+20)×0.1=196 N取200 N進(jìn)行計算。

將上肢運動機構(gòu)導(dǎo)入SolidWorks Motion模塊進(jìn)行運動仿真。仿真結(jié)果見圖7(a)、7(b)。

圖7(a) 上下肢運動機構(gòu)馬達(dá)角速度

圖7(b) 上下肢運動機構(gòu)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩

Fig7(b)Themotortorqueofupperandlowerlimbsmovingmechanism

3.2 升高機構(gòu)

此機構(gòu)主要用于構(gòu)造運動角度，實現(xiàn)俯式爬行和攀高爬行。由于運動模式單一，所以選擇普通電機即可。將升高機構(gòu)導(dǎo)入SolidWorks Motion模塊進(jìn)行分析。在絲杠上添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)速見圖8(a)，在兩個支撐桿上添加豎直向下的力F=1 000 N,經(jīng)仿真得出旋轉(zhuǎn)馬達(dá)力矩變化見圖8(b)。由圖可知運動速度較慢，但是所需轉(zhuǎn)矩還是很大的，為以后電機選型提供了參考。

3.3 擺尾機構(gòu)

此機構(gòu)電機轉(zhuǎn)速不高但對于轉(zhuǎn)矩要求比較高。仿真時，在曲柄上添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)M，馬達(dá)轉(zhuǎn)速恒定為12 RPM，根據(jù)運動平臺和人體下肢的總重量500 N，滾動摩擦系數(shù)按u=0.05來算，得出摩擦阻力F=25 N。仿真算出馬達(dá)力矩見圖9，馬達(dá)最大力矩為6.813 Nm,此數(shù)值對于一般步進(jìn)電機來說還是很大的，所以在保證電機尺寸合適的基礎(chǔ)上，又要滿足大力矩、慢轉(zhuǎn)速，還是較難選擇的。因此采用減速增力裝置與電機配合帶動擺尾機構(gòu)運動。

4 有限元分析

分析整個運動系統(tǒng)的受力情況，升高機構(gòu)為主要受力機構(gòu)，其中支撐桿和導(dǎo)桿為主要受力部件。升高機構(gòu)承擔(dān)了患者及上、下肢運動機構(gòu)的全部重量，根據(jù)國民體質(zhì)監(jiān)測公報以及人機工程學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示[15],我國成年男性平均體重為67.8 kg，成年女性平均體重為59.6 kg，加上上下肢機構(gòu)及側(cè)梁的重量，考慮安全性，將分析重量設(shè)計為400 kg。由于支撐桿有4個，所以平均每個承重100 kg。對以上部件采用ANSYS Workbench進(jìn)行應(yīng)力、變形量的分析，從而判斷其是否滿足強度和剛度要求。

圖8(a) 升高機構(gòu)馬達(dá)角速度

圖8(b) 升高機構(gòu)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩

圖9 擺尾機構(gòu)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩

4.1 升高機構(gòu)支撐桿的受力分析

由于受力較大，選擇普通碳鋼，其各種屬性見表1。

在裝配體中，支撐桿的下端與底座鉸接在一起，中間部分與滾珠絲杠模組通過套筒連在一起，所以選擇簡單支撐約束支撐桿的下端，約束掉支撐桿的所有線性位移自由度，但旋轉(zhuǎn)自由度是自由的。中間部分采用圓柱面約束，選擇約束掉面徑向、切向位移。支撐桿上端與側(cè)梁是鉸接在一起的，受力方向豎直向下，給其上端施加集中力1 000 N，選擇通過分量定義此力，方便控制力的方向。本零件的分析結(jié)果選取典型的等效應(yīng)力和變形量色帶表達(dá)圖，支撐桿的應(yīng)力圖見圖10(a)，變形量色帶圖見圖10(b)。由圖可知，應(yīng)力、變形量最大點都為鉸接處，且最大應(yīng)力為5.129 MPa，遠(yuǎn)小于普通碳鋼的屈服強度220.594 MPa，所以滿足強度要求。最大變形量為0.00102 mm，滿足剛度要求。計算結(jié)果表明支撐桿滿足使用要求。

表1 普通碳鋼的屬性

圖10(a)支撐桿應(yīng)力分析圖10(b)支撐桿變形量分析

Fig10(a)StressanalysisofthesupportbarFig10(b)Analysisoftheamountofdeformationofthesupportrods

4.2 升高機構(gòu)導(dǎo)桿受力分析

由于受力較大，對材料剛度要求較高，所以選擇軸承鋼GCr15，其各種屬性見表2。

表2 軸承鋼GCr15的屬性

在裝配體中，導(dǎo)桿的兩端是固定在支撐臺上的，所以導(dǎo)桿的兩端采用固定約束。由于當(dāng)滑塊運動到導(dǎo)桿中間時，其形變最大，經(jīng)過計算此時導(dǎo)桿所承受的力為1804 N，方向豎直向下，所以添加集中力1804 N在導(dǎo)桿中間，選擇通過分量定義此力，方便控制力的方向。導(dǎo)桿的應(yīng)力見圖11(a)，變形量色帶圖見圖11(b)。由圖11(a)可知，應(yīng)力最大點都為兩端固定處，且最大應(yīng)力為31.33 MPa，遠(yuǎn)小于普通碳鋼的屈服強度518.42 MPa，所以滿足強度要求。由圖11(b)可知，導(dǎo)桿中間的變形量最大，最大變形量為0.11 mm，滿足剛度要求。計算結(jié)果表明支撐桿能滿足使用要求。

圖11(a)導(dǎo)桿應(yīng)力分析圖11(b)導(dǎo)桿應(yīng)變分析

Fig11(a)StressanalysisofguiderodFig11(b)Strainanalysisofguiderod

5 結(jié)果與討論

本設(shè)計是基于爬行運動的脊柱康復(fù)訓(xùn)練儀，其最大優(yōu)點就是運動模式多樣化。在被動運動模式下，可以實現(xiàn)跪撐爬行、攀高爬行、俯式爬行、扭腰擺動；在主動運動模式下，可以實現(xiàn)跪撐爬行。該設(shè)計還有運動數(shù)據(jù)反饋的功能，方便醫(yī)生進(jìn)行評估。不過由于功能多樣，所以結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致訓(xùn)練儀整體偏重，不利于搬運。在以后的研究中可以精簡結(jié)構(gòu)，而且隨著材料科學(xué)的發(fā)展，可以選擇更輕便的材料，從而減輕訓(xùn)練儀整體的重量。還有該設(shè)計主動運動模式過于單一，以后可以加入抗阻模式，從而可以滿足更多患者康復(fù)后期的要求，通過不同阻力的加入，讓主動運動變的更加具有挑戰(zhàn)性。