蔣志

（安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南232000）

1 概述

由于中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,人們生活水平的提高,私家車以及各種交通工具迅速增加,因交通事故造成的下肢損傷的患者也越來越多,以前的傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練主要是依靠醫(yī)療師的工作經(jīng)驗(yàn),多數(shù)是靠徒手完成康復(fù)訓(xùn)練的。但是隨著下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的人數(shù)逐年增加,僅僅依靠醫(yī)療工作人員幫助下肢損傷的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,不僅工作強(qiáng)度大,而且訓(xùn)練周期長。并且很多國家都面臨著醫(yī)療資源設(shè)備的短缺,對于康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的需求也日益增加,因此,設(shè)計(jì)一款合理的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備,必然可以提高康復(fù)治療的效率,縮短治療時(shí)間?？祻?fù)訓(xùn)練設(shè)備主要被用來幫助患者實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)訓(xùn)練,比如上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和下肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。有醫(yī)學(xué)研究表明,有規(guī)律的、科學(xué)的進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練是可以幫助下肢損傷的患者恢復(fù)基本行走能力的重要手段,對于家庭乃至社會都有著非同凡響的現(xiàn)實(shí)意義。張宵[1]對減重支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),該結(jié)構(gòu)基本滿足減重需求。王文龍[2]設(shè)計(jì)了一種新型減重結(jié)構(gòu),能夠滿足使用者在不同要求下的減重康復(fù)訓(xùn)練。張啟國[3]設(shè)計(jì)了一款自主控制的減重系統(tǒng),可以滿足基本的減重步行康復(fù)訓(xùn)練的需求。韓朝慧[4]詳細(xì)介紹了康復(fù)機(jī)器人的減重系統(tǒng)并驗(yàn)證了可以實(shí)現(xiàn)恒力減重。王婷[5]設(shè)計(jì)了減重系統(tǒng)控制器,可以根據(jù)患者的康復(fù)程度選擇合適的減重力。在此基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)了一款康復(fù)訓(xùn)練裝置,幫助下肢損傷的患者進(jìn)行康復(fù)恢復(fù)訓(xùn)練,由于康復(fù)訓(xùn)練支架是主要的受力部件,為避免康復(fù)訓(xùn)練支架在使用過程中發(fā)生斷裂,因此需要對康復(fù)訓(xùn)練支架進(jìn)行有限元分析,通過分析結(jié)果顯示本結(jié)構(gòu)可以滿足使用者的使用要求。

2 康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)

減重康復(fù)訓(xùn)練目前是國內(nèi)外應(yīng)用最多并且治療效果最明顯的一種康復(fù)訓(xùn)練方式,現(xiàn)在已經(jīng)得到了國內(nèi)外康復(fù)治療的普遍認(rèn)可。其康復(fù)訓(xùn)練的效果也是非常的好,在能夠?qū)崿F(xiàn)為下肢損傷的患者減重的同時(shí),也可以幫助下肢損傷的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。其主要是使用懸吊裝置對下肢損傷的患者進(jìn)行減重,讓下肢損傷的患者的重量減輕,這樣就可以實(shí)現(xiàn)下肢損傷的患者在支撐能力不足的情況下也能進(jìn)行正常的康復(fù)訓(xùn)練。懸吊支撐裝置一般是通過繩索與下肢損傷的患者連接。下肢損傷的患者在走步機(jī)的帶動(dòng)下可以下意識的進(jìn)行步行訓(xùn)練,從而能夠促進(jìn)正常行走能力的恢復(fù)。下肢損傷的患者站在走步機(jī)上進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,上身穿著減重馬甲,下肢損傷的患者可以通過連接在減重馬甲的繩索以及懸掛裝置進(jìn)行減重。下肢損傷的患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練過程中,由于恢復(fù)周期較長,下肢損傷的患者在初期訓(xùn)練需要較大的減重,保證他們可以行走；在中期訓(xùn)練較小的減重,就可以保證他們正常進(jìn)行步行訓(xùn)練；后期訓(xùn)練時(shí),幾乎不需要減重,馬甲背心可以起到保護(hù)患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中不會摔倒。

如圖1 所示,設(shè)計(jì)的一種康復(fù)訓(xùn)練裝置,該康復(fù)訓(xùn)練裝置由減重機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、康復(fù)訓(xùn)練支架、馬甲和走步機(jī)組成。減重機(jī)構(gòu)給予下肢損傷的患者提供合適的恒定減重力。該減重機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力,用聯(lián)軸器將電機(jī)輸出軸與齒輪軸連接在一起,斜齒輪與軸通過平鍵裝配在一起,實(shí)現(xiàn)同速轉(zhuǎn)動(dòng),再通過斜齒輪組進(jìn)行減速,另一個(gè)斜齒輪通過平鍵裝配在另一根軸上,這根軸與帶線圈的軸連接在一起,通過旋轉(zhuǎn)牽動(dòng)繩索給予下肢損傷的患者需要的減重力,通過定滑輪給繩索固定的方向。繩索連接拉力傳感器,可以檢測減重力的大小,方便我們調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)給予恒定的減重力。拉力傳感器下面連接彈簧,可以彌補(bǔ)下肢損傷的患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中由于重心的上下波動(dòng)而引起的減重力的恒定,然后連接到橫軸上,再連接到馬甲的兩側(cè),避免了單根繩索受力不均,引起下肢損傷的患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn),進(jìn)而造成第二次傷害。另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器連接滾珠絲杠,將減重機(jī)構(gòu)與滾珠絲杠上的螺母座用螺母固定連接,下肢損傷的患者穿上馬甲在走步機(jī)上進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,會出現(xiàn)一定的位移,通過滾珠絲杠可以保證減重機(jī)構(gòu)在患者的正上方,保證恒定的減重力。慢慢恢復(fù)正常行走能力?？祻?fù)訓(xùn)練裝置的支架由兩部分組成,支撐桿和U 型軌道,支撐桿與地面通過螺栓固定,支撐桿與U 型軌道用三個(gè)螺栓固定連接。在U 型軌道上有一個(gè)減重機(jī)構(gòu),給予下肢損傷的患者提供合適的恒定減重力,幫助下肢損傷的患者更好的恢復(fù)正常的行走能力?？祻?fù)訓(xùn)練支架在患者使用過程中主要的受力部件,也是容易發(fā)生斷裂的地方,需要對其進(jìn)行靜力學(xué)分析,以滿足患者的使用要求。下肢損傷的患者在初期康復(fù)訓(xùn)練時(shí),由于下肢不太靈活,走步機(jī)可以調(diào)到很小的步速,給予患者前期舒適的治療；在康復(fù)訓(xùn)練中期的時(shí)候,患者的下肢恢復(fù)到一定水平,走步機(jī)可以調(diào)到合適的步速,可以給患者提供一定的阻力,幫助患者更好的恢復(fù),在康復(fù)訓(xùn)練后期的時(shí)候,可以根據(jù)患者恢復(fù)的情況,調(diào)到穩(wěn)定的步速和阻力,以致可以更好的幫助患者恢復(fù)行走能力。下肢損傷的患者使用該康復(fù)訓(xùn)練裝置,不僅可以減輕醫(yī)療人員的工作強(qiáng)度,讓他們不再多對一的進(jìn)行指導(dǎo)訓(xùn)練,也能幫助患者恢復(fù)基本行走能力,達(dá)到較好的治療效果。

圖1 康復(fù)訓(xùn)練裝置

3 康復(fù)訓(xùn)練支架的有限元分析

康復(fù)訓(xùn)練支架是主要受力部件,為避免在訓(xùn)練過程中康復(fù)訓(xùn)練支架由于受力而發(fā)生變形或者斷裂,因此需要對康復(fù)訓(xùn)練支架進(jìn)行靜力學(xué)分析,驗(yàn)證一下康復(fù)訓(xùn)練支架是否滿足下肢損傷患者的使用要求。

3.1 康復(fù)訓(xùn)練支架網(wǎng)格的劃分

先使用solidworks 畫好康復(fù)訓(xùn)練支架的支撐桿、U 型軌道和螺栓零件,支撐桿的長、寬、高分別為15mm、10mm、200mm,U 型軌道長120mm,將支撐桿和U 型軌道通過三個(gè)螺栓裝配在一起,然后將裝配好的的裝配圖保存格式為.x_t。然后再導(dǎo)入到Ansys workbench18.0 中,對康復(fù)訓(xùn)練支架進(jìn)行靜力學(xué)分析：先定義材料為Q235,查材料可知,Q235 的密度為7.85g/cm3, 楊氏模量為210GPa,泊松比為0.3,屈服強(qiáng)度為235MPa。再對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,支撐桿和U 型軌道的網(wǎng)格大小設(shè)置為50mm,三個(gè)螺栓的網(wǎng)格大小設(shè)置為5mm,網(wǎng)格劃分后生成5927 個(gè)節(jié)點(diǎn),2972 個(gè)單元。

3.2 施加載荷求解

在兩根U 型軌道上施加固定約束,下肢損傷的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí),下肢損傷的患者通過減重機(jī)構(gòu)進(jìn)行減重,對U 型軌道施加集中力載荷,軌道最左邊是距離支撐桿最遠(yuǎn)處,也是康復(fù)訓(xùn)練支架受力最大處,也是容易發(fā)生斷裂的地方,因此載荷施力點(diǎn)選定在該位置處,由于給下肢損傷的患者提供最大減重為100kg,所以載荷大小設(shè)置為1000N。進(jìn)行靜力學(xué)分析,得到的總變形云圖和等效應(yīng)力云圖,如圖2 所示。

通過分析康復(fù)訓(xùn)練支架總變形云圖,可得到最大變形出現(xiàn)在軌道最左邊,最大位移約為6.3mm。通過分析康復(fù)訓(xùn)練支架的等效應(yīng)力云圖,可得到最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在支撐桿的左右兩側(cè),最大等效應(yīng)力約為211MPa,該康復(fù)訓(xùn)練支架使用Q235 材料的最大屈服極限為235MPa。

通過等效應(yīng)力云圖可知支架的最大等效應(yīng)力值小于材料的屈服極限,該支架滿足下肢損傷患者的使用要求。

圖2 康復(fù)訓(xùn)練支架總變形云圖及等效應(yīng)力云圖