張超凱,Adrian Chin Hsiung Chong

(上海理工大學(xué),上海 200034)

腦癱康復(fù)自行車

張超凱,Adrian Chin Hsiung Chong

(上海理工大學(xué),上海 200034)

目前,腦癱疾病已成為醫(yī)療領(lǐng)域的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題.腦癱的基本定義是兒童早期的永久性運(yùn)動(dòng)障礙.本項(xiàng)目的主要目標(biāo)是針對(duì)腦癱兒童設(shè)計(jì)和制造一種特殊的康復(fù)工具,緩解其運(yùn)動(dòng)障礙.為了使其得到廣泛使用,該工具必須易于控制,更加穩(wěn)定且適合腦癱兒童的運(yùn)動(dòng)需求.

腦癱;康復(fù)自行車;運(yùn)動(dòng)障礙;康復(fù)工具

1 選題背景

如今,腦癱是世界上發(fā)病率較高的難治性疾病之一.據(jù)有關(guān)資料顯示,腦癱兒童每1 000例活產(chǎn)中約有2.1例.這種高發(fā)病率使其成為其他兒科疾病中最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)障礙疾病.腦癱的基本定義是出現(xiàn)在兒童早期的一組永久性運(yùn)動(dòng)障礙.腦癱可能會(huì)影響兒童患者視力、感覺(jué)、飲食和口語(yǔ)等方面.孩子的癥狀與其他人不同.近30%的腦癱患者難以思考.幸運(yùn)的是,盡管腦癱的癥狀在頭幾年可能非常顯眼,但通常情況下癥狀并不會(huì)惡化.腦癱的原因主要包括腦癱后遺癥和遺傳因素.腦癱病因主要發(fā)生在懷孕期間,但有時(shí)腦癱也可能在嬰兒出生后發(fā)生.不幸的是,迄今沒(méi)有有效的腦癱治療方法.然而,康復(fù)治療師可能在某些情況下起到治療作用,并且在很大程度上可以緩解其運(yùn)動(dòng)障礙.

雖然目前市面上已經(jīng)為腦癱兒童設(shè)計(jì)了各種康復(fù)設(shè)備,但仍然缺乏能夠?qū)崿F(xiàn)娛樂(lè)和康復(fù)目標(biāo)的康復(fù)設(shè)備.因此,該項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)和制造一種康復(fù)自行車,可以豐富腦癱兒童的娛樂(lè),同時(shí)長(zhǎng)期使用可緩解其運(yùn)動(dòng)障礙.

為給康復(fù)自行車設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),將對(duì)腦麻痹癥狀、分類、病因及治療進(jìn)行詳細(xì)的研究.基于這些,康復(fù)自行車的設(shè)計(jì)也應(yīng)該考慮到用戶的舒適性和安全性.

2 方案與設(shè)計(jì)

2.1 車輪的設(shè)計(jì)

對(duì)于腦癱患者,小腦的損害使他們失去保持平衡的能力.因此,他們不能像普通人一樣騎著常用的兩輪自行車.為了解決這個(gè)問(wèn)題,本設(shè)計(jì)將考慮采用三輪或四輪自行車.以下分析將側(cè)重于三輪和四輪自行車的比較及最終選擇三輪自行車的原因.

2.1.1 行車分別在粗糙和光滑平面上的性能

當(dāng)?shù)孛娌黄秸麜r(shí),三輪自行車能比四輪自行車更穩(wěn)定地固定在地面上.當(dāng)自行車靜止在粗糙平面上時(shí),三輪自行車比四輪自行車性能方面表現(xiàn)得更好.然而,康復(fù)自行車不像椅子那樣永遠(yuǎn)靜止的物體,而需要在地面上移動(dòng).在平穩(wěn)的地面條件下,三輪自行車與四輪車的性能相同.但在大多數(shù)情況下,地面往往不平整.當(dāng)三輪自行車在粗糙的地面上移動(dòng)時(shí),整個(gè)自行車車身都會(huì)隨時(shí)改變其平面,向左或向右傾斜.當(dāng)傾斜角度較大時(shí),三輪自行車可能會(huì)翻車,這可能會(huì)對(duì)使用者造成很大的傷害.然而四輪自行車在粗糙的地面上運(yùn)動(dòng)有2種情況:一種是2個(gè)右輪和1個(gè)左輪將碰到地面,另一種是2個(gè)左輪和1個(gè)右輪將接觸地面.因此,隨著重心基準(zhǔn)的變化,自行車也會(huì)左右擺動(dòng),而且這是一種垂直方向上的變化.因此當(dāng)在粗糙的地面上移動(dòng)時(shí),四輪自行車似乎比三輪車更安全.

2.1.2 驅(qū)動(dòng)力

在選擇這2種自行車時(shí),需要考慮的另一個(gè)重要因素是驅(qū)動(dòng)力的差異.與四輪自行車相比,三輪自行車承受的阻力較小,這是因?yàn)樗妮喿孕熊嚨慕佑|面較大.也就是說(shuō),騎行三輪自行車時(shí)需要較小的物理力,這對(duì)于那些有運(yùn)動(dòng)障礙的腦癱兒童騎行可能會(huì)更方便一些.

2.2 座椅的設(shè)計(jì)

軌道滑動(dòng)型的基本概念是首先將滑動(dòng)軌道與車身相焊接,然后通過(guò)螺母實(shí)現(xiàn)座椅與滑動(dòng)軌道間的緊固.滑動(dòng)軌道可以通過(guò)滑軌上固定間距的凹槽實(shí)現(xiàn)滑軌位移的固定.其原理與汽車座椅下面的滑動(dòng)軌道相似.為節(jié)約成本,本設(shè)計(jì)采用車輛所使用的滑動(dòng)軌道,經(jīng)過(guò)加工后安裝在三輪自行車車身上,通過(guò)螺栓與安全座椅緊固.這種設(shè)計(jì)和緊固方式有著與板式固定型相似的安全性和可靠性,由于采用滑軌式,其可調(diào)節(jié)性較板式固定型有了很大的提高.滑動(dòng)軌道的尾部安裝有一個(gè)扶手,向上抬起扶手可以釋放滑動(dòng)軌道,放下扶手重新將滑動(dòng)軌道鎖死.扶手內(nèi)部彈簧在不受力時(shí)保持鎖死狀態(tài),使用者可以一只手抬起扶手,一只手向前推或向后拉安全座椅來(lái)前后移動(dòng),其前后移動(dòng)距離各為30 cm.

2.3 車把的設(shè)計(jì)

蝴蝶把是一種特殊類型的自行車把手,也稱為"放松車把"或"多功能車把".蝴蝶把從前桿開(kāi)始,在自行車兩側(cè)呈現(xiàn)蝴蝶翅膀的形狀延伸.這樣的設(shè)計(jì)使騎手能夠以較小的控制力來(lái)握持車把的尾部,從而控制自行車的方向.與通常使用的直把和彎把相比,蝴蝶手柄足夠長(zhǎng),足以讓腦癱兒童控制自行車,甚至無(wú)需伸直手臂就能握住蝴蝶手柄.對(duì)于有姿勢(shì)困難的孩子,這將是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)和便利.此外,與線性延伸車把相比,姿態(tài)困難的兒童可以在不同的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)下控制自行車的方向,這是在線性伸展車把基礎(chǔ)上的一個(gè)很大的發(fā)展.蝴蝶手柄的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí),騎手不需要轉(zhuǎn)動(dòng)自己的身體.

綜上所述,這種康復(fù)自行車上蝴蝶手柄的優(yōu)點(diǎn)可以歸結(jié)如下:①較小的身體轉(zhuǎn)動(dòng)角度;②無(wú)需伸直手臂就可控制轉(zhuǎn)向;③適應(yīng)多種姿勢(shì)維持障礙的腦癱兒童;④蝴蝶車把的位置可以調(diào)整為2種,以適應(yīng)不同需求的腦癱兒童.鑒于上述所有這些因素,蝴蝶手柄終于被選為這款康復(fù)自行車最適合的手柄.

3 Solidworks模擬分析

第一次模擬是對(duì)自行車座椅的壓力分析.這種模擬旨在測(cè)試座椅及其支撐件是否能承受施加在其上的最大壓力.Von Mises方法被選為測(cè)試目標(biāo)應(yīng)力的方法.基于產(chǎn)品規(guī)格和普通兒童質(zhì)量的安全座椅的最大容量,選擇70 kg(700 N)作為施加在座椅上的力.采用橡膠和合金鋼作為座椅及其支撐結(jié)構(gòu)的材料.采用FEA對(duì)座椅進(jìn)行了建模與分析,最終得出700 N垂直力下座椅及其支撐的應(yīng)力狀況.根據(jù)應(yīng)力模擬,座椅和2塊鋼板處于深藍(lán)色狀態(tài),其應(yīng)力值約為100 Pa,處于安全狀態(tài).因此此產(chǎn)品不存在安全隱患.

4 結(jié)論

這個(gè)項(xiàng)目的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程和最終結(jié)果的得出是一個(gè)非常有意義的歷程.在研究部分,本文詳細(xì)介紹了腦癱的相關(guān)信息,比如定義、癥狀、分類和相對(duì)應(yīng)的康復(fù)裝置.這些背景信息使筆者對(duì)腦癱有一個(gè)新的了解.在自行車的組裝過(guò)程中,采用了各種加工方法,比如焊接、切割和拋光,使加工的自行車符合腦癱兒童的要求.為了測(cè)試自行車的安全性,本文采用了Solidworks模擬,以找出其缺陷,并進(jìn)一步改善.對(duì)于未來(lái)的設(shè)計(jì),這個(gè)項(xiàng)目的康復(fù)自行車還需要進(jìn)一步改進(jìn),特別是在安全座椅上下調(diào)節(jié)的問(wèn)題上.此外,應(yīng)到腦癱康復(fù)中心進(jìn)行訪問(wèn),以檢測(cè)所設(shè)計(jì)的康復(fù)自行車是否適合腦癱兒童使用,以及如何用自行車進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,并將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善.

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〔編輯:劉曉芳〕

R473.72

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.107

2095-6835(2017)22-0107-03